Calderas Marinas

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NOTAS SOBRE CALDERAS Y GENERADORES DE VAPOR PROFESOR D. OLAVO PALOMO LÓPEZ INGENIERO NAVAL Y OCEÁNICO

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  • NOTAS SOBRE

    CALDERAS Y GENERADORES DE VAPOR

    PROFESOR

    D. OLAVO PALOMO LPEZ

    INGENIERO NAVAL Y OCENICO

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    NOTAS SOBRE CALDERAS Introduccin La energa acumulada en el vapor de agua se ha venido utilizando desde los primeros tiempos de la Revolucin Industrial. Aunque existen antecedentes, como el inventor espaol Blasco de Garay, quien en 1543, en Barcelona y ante el emperador Carlos V lo utiliz para mover el barco Trinidad de 200 toneles1, fue en Inglaterra donde se originaron las primeras mquinas de vapor prcticas, y ms concretamente con los inventos del escocs James Watt. La razn para que se haya utilizado el vapor de agua probablemente haya que buscarla en alguna de sus propiedades:

    En primer lugar, es barata y abundante. Transporta grandes cantidades de energa con una masa relativamente pequea. Su temperatura se puede regular bastante bien controlando la presin. Se puede aprovechar la expansin debida al aumento de volumen que experimenta el

    agua cuando se convierte en vapor: cuando se une el calrico con partes de agua, a cuya mezcla se ha dado el nombre de vapor por los fsicos, llega a ocupar un espa-cio miles de veces mayor y se concibi que el vapor retenido hara prodigiosos esfuerzos contra obstculos considerables2.

    Actualmente, y debido al gran auge y desarrollo alcanzado por los motores diesel, as como sus menores gastos, sobretodo de combustible, la utilizacin del vapor en la propulsin naval es totalmente marginal: para las grandes potencias en las que no alcanzan las gamas de estos motores; para los buques de guerra con propulsin nuclear, como submarinos o portaviones; y como calefaccin, mediante pequeas calderas (calderetas) que aprovechan el calor residual de los gases de escape del sistema propulsor principal. Donde s se utilizan ampliamente es en tierra, en las plantas trmicas de produccin de energa elctrica, tanto nucleares como de carbn. Otro inconveniente que tiene la propulsin a vapor es la gran inercia trmica que conlleva. Se necesitan algunas horas para que una planta parada (fra) se ponga a pleno rendimiento. Esto ha hecho que en algunas batallas navales, los barcos pillados por sorpresa no hayan podido reaccionar, como ocurri en el ataque japons a la flota de EE.UU. en Pearl Harbor en la se-gunda guerra mundial. Esquema bsico de una instalacin propulsora de vapor En esencia la caldera es el foco caliente (segundo principio de la termodinmica) donde el agua lquida se convierte en el llamado vapor saturado seco. En algunas plantas parte de este vapor se utiliza como calefaccin o para cierta maquinaria auxiliar, pero la mayor parte pasa al recalentador, que se puede considerar como una prolongacin de la caldera, donde conti-

    1 Mazarredo, Luis de: Evolucin de la Propulsin Naval Mecnica, Madrid, 1992 Fondo Editorial de Ingeniera Naval. 2 Mrmol. M. M. del: El Real Fernando, Idea de los barcos de vapor. Sevilla 1817 Subsec. Mar. Mercante, 1967. En aquella poca todava se pensaba que el calor no era una forma de energa sino un fluido imponderable, el calrico.

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    na recibiendo ms calor para aumentar su temperatura. A continuacin el vapor recalentado pasa a las turbinas donde cede su energa trmica para proporcionar trabajo, quedando como vapor saturado, normalmente con algo de humedad. Como una segunda parte del circuito podemos considerar que el vapor final que sale de las turbinas pasa, en primer lugar, por el condensador (fuente fra del segundo principio de la termodinmica). Este elemento es un intercambiador de calor en el que un fluido (agua y va-por) se enfra hasta convertirse en agua, cediendo su calor a otro fluido de circulacin (agua de mar). Para su correcto funcionamiento, el condensador debe tener un cierto grado de vaco, el cual se logra mediante una bomba de extraccin, o incluso se puede ayudar con unos eyec-tores. La bomba de extraccin es, pues la encargada de aspirar el agua del condensador y en-viarla al tanque desaireador, normalmente a travs de un recipiente intermedio que es el con-densador de eyectores (para evacuar los gases no disueltos). Como en el condensador existe un cierto grado de vaco, la tendencia normal es que de alguna manera entre aire en el circuito del agua. Este aire es muy perjudicial, crea corrosin por el oxgeno que lleva y crea problemas en la aspiracin de las bombas, especialmente si son cen-trifugas (cebado), por lo que la misin del tanque desaireador es que el agua se desprenda de todos los gases que pueda llevar disueltos, para ello se calienta mezclndola con vapor (ley de Henry). Del tanque desaireador, el agua de alimentacin lo aspiran las bombas de alimentacin. Lo normal es que, por un lado, sean dos en serie, la primera es una bomba aportadora o booster, que aspira el agua del tanque desaireador, el cual puede tener tambin vaco, y la descarga a la aspiracin de la bomba principal de alimentacin, sta ya la descarga a la presin de servicio de la caldera. Por otro lado, como seguridad, estas dos bombas en serie deben ser redundan-tes, es decir, se deben tener otras dos que funcionen en paralelo. El agua de alimentacin descargada por la bomba de alimentacin pasa a un intercambiador de calor dentro de la caja de humos de la caldera, llamado economizador, donde sufre el pri-mer calentamiento aprovechando el calor remanente de los gases de escape de la combustin que se pierde por la chimenea. Finalmente, el agua ya caliente pasa otra vez a la parte principal de la caldera donde se vuelve a reanudar el ciclo. Todo esto que hemos comentado son las ideas bsicas, el esquema real de una planta de vapor es bastante ms complejo, pues habra que considerar, entre otras cosas, todo el sistema de vapor auxiliar, las posibles sangras, los aportes para compensar las prdidas que se producen por los obturadores de ejes, empaquetaduras, frisas, sirena, eyectores, etc.

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    Esquema con los elementos bsicos de una planta de vapor

    Calderas Como ya queda dicho, las calderas son los elementos de la instalacin cuya misin es produ-cir vapor de agua a partir del calor que se desprende al quemar en su interior algn combusti-ble, como carbn, derivados del petrleo o algn gas. Tradicionalmente las calderas se han clasificado de una forma primaria en fumiltubulares o de tubos de llama y acuotubulares. Las calderas fumitubulares se caracterizan porque los gases calientes procedentes de la com-bustin, pasan por el interior de unos tubos cediendo su calor a una masa de agua que los ro-dea. Hoy son prcticamente piezas de museo y slo se utilizan, por su simplicidad, en algunas calderetas de vapor auxiliar que aprovechan el calor remanente de los gases de escape del propulsor del buque. Histricamente, la ms representativa de ellas es la conocida como cal-dera escocesa. Esta caldera bsicamente consiste en un cilindro con tres zonas: La zona inferior es el hogar, donde se quema el combustible, y si ste es carbn hay que sepa-rarlo del fondo mediante la parrilla, que es un enrejado de hierro con unos claros del tamao adecuado para que el aire pase entre el carbn ardiendo y deje caer al fondo el carbn quema-do y las escorias. A esta zona baja del hogar se le suele denominar cenicero. Del hogar, los gases calientes de la combustin pasan a la zona posterior de la caldera conoci-da como caja de humos. De la caja de humos arrancan unos tubos horizontales por los que circulan los gases calientes, para finalmente salir por la chimenea tras completar el circuito. Esta tercera zona est situada encima del hogar, y en ella los tubos de humos estn rodeados de la masa de agua a la cual calientan.

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    Esquema de una caldera escocesa donde se muestran los defectos debidos al funcionamiento y al mantenimiento

    As como en las calderas fumitubulares son los humos los que circulan por el interior de los tubos, en las calderas acuotubulares es el agua o el vapor a calentar el que circula por dentro de los tubos, y reciben el calor de la combustin por fuera de ellos. Desde hace ya bastantes aos este es el tipo de calderas que se utiliza, ya que ofrece mejor rendimiento, tiene menos peso para la misma potencia de la planta, sobretodo de agua, y porque permite utilizar presio-nes ms elevadas de vapor. En las calderas acuotubulares, de una forma global, tambin podemos distinguir tres zonas:

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    a) El hogar o cmara de combustin. b) La zona de agua y vapor, que est formada por los distintos tubos y colectores por

    donde circula el agua y el vapor. c) Conductos de gases: doble envuelta para el aire de entrada y caja de humos.

    Funcionamiento El agua procedente de la bomba de alimentacin que alimenta la caldera, pasa en primer lugar por el llamado economizador, que no es ms que un intercambiador de calor donde el agua, que circula por unos tubos a modo de serpentn, aprovecha el calor residual que tienen los gases de escape antes de salir por la chimenea. De la salida del economizador, el agua se dirige a la caldera propiamente dicha y entra en la zona de agua de un gran depsito o colector alto, conocido como colector de vapor o calde-rn. La mayor parte del calor producido en la combustin se transmite al agua de la caldera a tra-vs de las paredes de los distintos tubos vaporizadores. Aprovechando las corrientes de con-veccin, que se producen por la diferencia de densidades al calentarse, la mezcla de agua y vapor asciende por estos tubos hasta el caldern. El colector de vapor acta como una cmara de expansin y es donde se separan el agua l-quida del vapor, haciendo pasar esta mezcla por unos dispositivos dentro de l, (que depende-rn de cada fabricante y modelo). El vapor saturado procedente del caldern se dirige al recalentador, de donde sale a mayor temperatura y sin apenas variacin de presin, para ser utilizado en las turbinas. Por su parte el agua lquida retorna de bajada por los tubos de cada, ms alejados del hogar (tericamente ms fros para completar el circuito convectivo de circulacin), hasta el colector bajo o colector de agua, y a los cabezales. A su vez, de estos colectores es de donde arrancan los tubos vaporizadores descritos anteriormente.

    Tubos de cada

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    Esquema de una caldera con sus distintos elementos

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    Caldera Foster Wheeler

    Elementos de las calderas

    a) Bsicos Aunque en esencia ya se han descrito vamos a ir considerndolos de forma ms deta-llada. Colectores: Son grandes depsitos de forma cilndrica y gran dimetro, colocados de forma horizontal, cuyos extremos estn cerrados por unos casquetes cncavos. En es-tos casquetes existen unas puertas de registro, o puertas de hombre, por las que se puede entrar para efectuar las labores de limpieza, mantenimiento y reparaciones. Pueden ser de dos tipos: el colector alto o de vapor o caldern, donde se separa el agua lquida del vapor, y el bajo o de agua. De estos ltimos a veces puede haber dos en una misma caldera. Cuando la caldera tiene un colector alto y otro bajo se le suele deno-minar de tipo D, por la forma que presenta con los dos colectores y los tubos que bor-

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    dean el hogar. Por el contrario cuando tiene un colector superior y dos de agua se le suele llamar de tipo A.

    Caldera marina tipo D (izquierda) y compacta tipo A (derecha)

    Los colectores estn construidos en dos mitades longitudinales de planchas de acero soldadas, obviamente la mitad en la que van encastrados los correspondientes tubos (mitad superior para el colector de agua o mitad inferior para el colector de vapor) tendr que ser de mayor espesor para compensar la prdida de resistencia que ocasio-nan los orificios para los tubos. Los distintos tubos que parten de ellos deben tener su salida (arraigada) de forma ra-dial para minimizar las tensiones que produzcan las dilataciones trmicas. Lo normal es que esta unin sea mandrinada (una especie de abocardado que hace estanca la unin), ms raramente soldada. Cabezales: Son tambin colectores de agua de donde parten una serie de tubos, pero que se diferencian de ellos por su menor dimetro. Igualmente tienen puertas de regis-tro en sus extremos cncavos, si bien, en este caso, por su menor tamao se las deno-mina registros de mano. La unin de los tubos con sus correspondientes cabezales suele ser soldada. A su vez los distintos cabezales estn comunicados con los colecto-res de agua. Tubos de paredes de agua: En algunas publicaciones tambin se les llama tubos de membrana, y son los tubos que terminan en los cabezales, o colectores de menor ta-mao. Para favorecer la transmisin del calor, siempre a travs de su superficie, con-viene que estos tubos sean de poco dimetro y lo ms juntos posible. En general son los tubos que rodean las paredes del hogar, y por tanto los que reciben la mayor cantidad de calor, especialmente de la radiacin directa de las llamas, por lo que nunca les debe faltar flujo de agua lquida para que se refrigeren, pues en caso contrario se quemaran. En general, un sobrecalentamiento de los tubos (quemado) se manifiesta por la distorsin de su correcta posicin o alineamiento y, en ocasiones, por

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    un hinchamiento local, es decir, un debilitamiento por deformacin plstica o incluso rotura. La parte de las paredes de agua que forman el techo del hogar, por tener una cierta po-sicin horizontal (menor circulacin) es la zona donde primero se presenta el sobreca-lentamiento. En medio de los distintos haces tubulares se colocan sopladores de holln, lo que fuer-za a cambios bruscos de curvatura en los tubos prximos que los rodean. Es fcil que en estos cambios de curvatura se produzcan flujos turbulentos con una defectuosa transmisin del calor, lo que, a su vez, puede provocar el sobrecalentamiento y la rotu-ra consiguiente de los tubos. Una rotura de esta ndole puede ser tan grave que, aunque se apaguen los mecheros inmediatamente, la cantidad de vapor liberada acabe sobreca-lentando de los tubos del techo. Tubos de cada o retorno: Son los tubos que cierran el circuito de circulacin del agua lquida de la caldera, van del caldern al colector de agua. Para favorecer la corriente de conveccin van alejados del hogar de la caldera (en la zona ms fra), son de mayor dimetro que los tubos hervidores para disminuir las resistencias del flujo, y en conse-cuencia son menos. Tubos de pantalla: Son unos tubos cuya misin consiste en apantallar a otro conjunto de tubos que forman el sobrecalentador para que no sufra la radiacin directa del hogar, evitando as que se calienten en exceso. Normalmente hay tres filas de tubos de pantalla y en la arraigada de ellos se disponen unos bafles o pantallas, abajo y encima, con objeto de dirigir los gases de la combus-tin del hogar hacia el sobrecalentador. Hogar: Es el espacio de la caldera donde se quema el combustible. Est limitado por las paredes laterales, con sus distintos colectores y haces de tubos vaporizadores, las paredes del fondo y la solera, que es la parte baja del hogar. Aunque depende de cada fabricante y modelo, en las calderas navales, lo normal es que en la pared del frente, es decir, la que da a los operarios de la caldera, se dispon-gan de unas aberturas donde se colocan los quemadores, que son los elementos que inyectan el combustible pulverizado dentro del hogar, y, al mismo tiempo, tambin en-tra por ellas el aire de la combustin, logrando as una mezcla ms ntima entre ambos. En otros modelos, especialmente en instalaciones de tierra, el quemador o quemadores se colocan en el techo del hogar. Existen tambin calderas con dos hogares, como los que tenan algunas unidades de la Marina Espaola. A uno de los hogares se le denominaba hogar de vapor saturado, porque su misin principal era la de producir este vapor, y al otro hogar del vapor re-calentado. Si bien hay que tener presente que aunque los tubos que forman el recalen-tador, por tener la mayor temperatura de entrada, no pueden estar directamente ex-puestos a la accin de las llamas, pues se quemaran, s que es verdad que con este hogar se consigue un mayor control del vapor de salida.

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    Obra refractaria: Es el conjunto de paredes de un ladrillo especial que rodean el hogar, forman los frentes anterior y posterior, la solera o parte baja y puede que, al menos en parte, las paredes laterales. Hay casos en los que se levanta una paredilla de obra refractaria en las paredes laterales, desde la solera hasta la arraigada de los tubos vaporizadores, tapando los colectores y cabezales. Tambin hay calderas que tienen una pared de agua formada por sola hilada de tubos, cubriendo una o dos caras del hogar, y por detrs llevan una pared lateral de ladrillos refractarios. El frente anterior o pared frontal, es la parte del hogar que da a la cmara de calderas, y es donde, normalmente, van alojados los mecheros o quemadores (en algunos casos los quemadores se colocan en el techo). Esta superficie recibe todo el calor radiante del hogar, lo que hace que se deteriore rpidamente. A esto se une las especiales for-mas de estos refractarios para alojar los mecheros, y a que el goteo que producen pro-voca condiciones anmalas de combustin cerca del frente. Existe un tipo de calderas ms desarrollado, la caldera radiante, en el que la obra re-fractaria es prcticamente inexistente, y las paredes del hogar estn rodeadas por las llamadas membranas de tubos. Envueltas: Las calderas, por su parte externa, suelen ir recubiertas por una doble en-vuelta. El espacio que queda entre la envuelta interior y la exterior forma un conducto por donde se hace circular el aire que se aporta para la combustin antes de entrar en el hogar. Esto proporciona un doble beneficio: aprovecha el calor que radia la caldera hacia el exterior para calentar el aire que va a entrar al hogar, con lo que se aprovecha ms el combustible al aumentar la temperatura de la combustin, y, en segundo lugar, este efecto de refrigeracin hace que disminuya el calor que se transmite a la cmara de calderas, con lo que se mejora el confort del personal. Asimismo, si la caldera es de tiro forzado, que es lo comn, no es necesario presurizar la cmara de calderas. Caja de humos: La caja de humos est formada por todos los conductos por los que circulan los gases procedentes de la combustin hasta su salida al exterior por la chi-menea. Dentro de ella se aloja el economizador para aprovechar una parte del calor re-sidual con que salen los gases. Economizador: El economizador es un intercambiador de calor, situado en la caja de humos, que calienta el agua de alimentacin antes de entrar en la caldera propiamente dicha, aprovechando el calor residual de los gases de escape. El economizador est formado por dos colectores y un conjunto de tubos. Normalmen-te al colector superior llega el agua procedente de la bomba de alimentacin, y de l arrancan una serie de tubos en forma de serpentn; el agua circula por ellos y llega a otro colector de salida, ya caliente. Desde all se la enva al colector de vapor de la caldera, por donde entra, pasando previamente por una vlvula de retencin. Para mejorar la transmisin del calor de los humos, se aumenta la superficie de con-tacto de los tubos por medio de unas aletas que sobresalen de su parte exterior.

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    Tubo de un economizador mostrando sus aletas

    Economizador de una caldera

    Recalentador: El recalentador o sobrecalentador es el elemento encargado de trans-formar el vapor saturado seco procedente del caldern en vapor recalentado. Suele es-tar formado por dos colectores de pequeo dimetro unidos por unas filas de tubos en forma de U. Por un extremo de uno de los colectores entra el vapor y, para asegurar un flujo uniforme por todos los tubos, estos colectores llevan unas pantallas que los inde-pendizan por tramos, finalmente por la otra salida de alguno de ellos sale en forma de vapor recalentado para ser utilizado.

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    Esquema de funcionamiento de un recalentador de vapor Los sobrecalentadores, aun en condiciones normales, por operar a tan altas temperatu-ras, ms que los tubos de la caldera, son los elementos que estn ms expuestos a so-brecalentarse, especialmente cuando hay depsitos internos o cuando, por una causa u otra, disminuye el flujo de vapor.

    Recalentador de una caldera Babcok Wilcox

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    Desrecalentadores: En un buque hay elementos y equipos auxiliares que no admiten el vapor recalentado para su funcionamiento. En algunos casos el vapor saturado que ne-cesitan estos equipos se toma directamente del caldern, sin pasar por el recalentador. Pero en otros, parte del vapor recalentado que sale de la caldera se le hace pasar por el llamado desrecalentador. La misin del desrecalentador es, pues, rebajar la temperatura del vapor recalentado para volver a convertirlo en vapor saturado. Consiste en una serie de tubos en forma de U, o de doble U, y normalmente va alojado en el colector de agua, aunque existen modelos en los que est en el caldern. En principio puede parecer absurdo calentar el vapor hasta algn grado de recalenta-miento para despus enfriarlo, pero hay que tener en cuenta que, como ya se ha dicho, los recalentadores son los elementos ms expuestos a quemarse, por lo que necesitan que, siempre que est funcionando la caldera, pase por ellos vapor para que estn re-frigerados. Incluso en aquellos momentos en que el consumo de vapor es mnimo, como, por ejemplo, con el buque en puerto. Tambin puede darse el caso de que el vapor que utilicen los elementos auxiliares est muy alejado de las caractersticas de presin y temperatura que proporciona la caldera principal. En estos casos se suele utilizar el calor del vapor principal para generar un vapor secundario, es lo que se conoce como generador vapor vapor. Este sistema tambin se utiliza cuando interesa que la posible contaminacin de uno de los circuitos de vapor no afecte al otro, como por ejemplo en las plantas nucleares, para que la ra-diactividad del agua procedente del reactor no afecte a las turbinas ni a las personas, o como en la calefaccin de los tanques de los petroleros; si el petrleo entra en contacto con el vapor secundario de calefaccin no debe contaminar el vapor principal.

    Ejemplos prcticos de plantas de vapor

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    TIRO Combustin La combustin es una reaccin qumica que se origina cuando ciertas sustancias (combusti-bles) reaccionan con el oxgeno (comburente) con gran desprendimiento de calor. Lo normal es que el oxgeno necesario lo aporte el aire. La caracterstica principal de cualquier combustible es su poder calorfico, que se puede defi-nir como la cantidad de calor que desprende un kilogramo de combustible cuando arde com-pletamente (kilocaloras / kilogramo). Por el aspecto econmico, el combustible habitual en la propulsin naval con vapor es el fueloil o petrleo de calderas, que es un derivado del petrleo, o crudo, y que se obtiene en las refineras. Sus molculas suelen ser muy complejas, pero sus componentes principales son: el carbono (C), el hidrgeno (H2), el oxgeno (O2) y el azufre (S). Adems puede ir acompaado de otras sustancias. El petrleo de calderas es un lquido de un color negro o algo pardo, muy consistente y bas-tante viscoso, por lo que antes de ser bombeado para llevarlo a los quemadores hay que calen-tarlo y filtrarlo. Uno de los componentes ms perjudiciales del fuel es el azufre ya que, aunque es combustible y desprende calor, el compuesto resultante, dixido de azufre (SO2), cuando capta el agua, aunque sea de la humedad ambiente, se transforma en alguno de los distintos cidos del azu-fre, como el sulfrico, todos ellos altamente corrosivos. Temperatura del hogar Como es sabido junto con el comburente (oxgeno en el aire) y el combustible, se necesita un tercer elemento para conseguir cualquier combustin, que es la temperatura. Siempre se re-quiere una temperatura mnima para que exista cualquier combustin, por pequea que sea. A su vez, la combustin ser tanto mejor cuanto mayor sea la temperatura del hogar. Centrndonos en las calderas de vapor, la temperatura que alcanza el hogar depender de la cantidad y tipo de combustible (poder calorfico), de las caractersticas de la obra refractaria (prdidas) y de la cantidad y temperatura del aire (comburente). Una parte del calor desprendido en el proceso de la combustin se transmite por radiacin a las superficies directamente expuestas a la accin de la llama (tubos vaporizadores y obra refractaria), esta transmisin es directamente proporcional a la diferencia entre las temperatu-ras absolutas a la cuarta potencia del foco caliente y el fro. Otra parte calienta los gases del hogar, a partir de la temperatura a la que lleguen. Estos gases, en su flujo de salida, ceden parte de su calor por conveccin a las superficies por las que va pasando, como los recalenta-dores o los economizadores. La transmisin de calor por conveccin es proporcional a la dife-rencia de temperaturas entre la superficie caliente y la fra. El calor remanente sale con los gases de escape por la chimenea, como prdidas. A su vez, el calor que reciben, de una forma o de otra, las paredes de los distintos tubos se transmite al agua de su interior por conduccin, que tambin depende de la diferencia o gra-

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    diente de temperaturas entre el lado caliente y el ms fro de la pared del tubo, as como de su coeficiente de conductibilidad, bueno, en general, para los metales, pero que se ver entorpe-cido si se han producido incrustaciones o depsitos en las paredes de los tubos, lo que obliga a quemar ms combustible para mantener el mismo rgimen de vapor, y con el riesgo adems de que los tubos se quemen (deformaciones plsticas, distorsiones de su posicin, abomba-mientos, etc.). Generalidades sobre el tiro Para que la combustin se realice de manera adecuada se necesita un aporte continuo de aire. Idealmente la cantidad de aire debera ser la justa para conseguir una combustin perfecta y completa de todo el combustible. Una cantidad escasa provoca una mala combustin, con formacin de humos, holln y un derroche de combustible. Una cantidad excesiva tambin supone prdidas al calentar un exceso de aire con un calor que no se aprovecha, y que sale por la chimenea. Por todo ello se necesita asegurar una circulacin uniforme que aporte el aire necesario y, adems, evacue los gases producidos. Para que esta corriente o flujo se produzca es necesario disponer de una diferencia de presiones que impulse los gases, o mejor dicho, de una carga total, suma de las presiones esttica y dinmica, suficiente para vencer las prdidas de carga en el circuito que han de recorrer los gases y mantener la velocidad precisa, es decir, la carga motriz (diferencia de presiones) debe proporcionar la energa cintica final de los gases a la salida de la chimenea y vencer las resistencias o prdidas de carga en todo el circui-to que recorren. Se da el nombre de tiro al conjunto de cusas naturales o artificiales que provocan la circula-cin de los gases a travs de la caldera. Tiro natural Toda caldera est dotada de una chimenea, que es un conducto natural destinado a la evacua-cin de humos, y suele ser vertical. Su misin es doble: crear una aspiracin natural (tiro natu-ral) y permitir que los humos se dispersen a la atmsfera sin incomodar la proximidad inme-diata (y respetando la legislacin vigente sobre contaminantes). Esta aspiracin se produce por la diferencia de densidades entre los gases calientes en el inter-ior y los ms fros en el exterior, lo cual se traduce en diferencias de presiones que son las que crean el flujo del tiro. Se demuestra que la energa motriz del tiro depende de la diferencia entre la temperatura de los humos y la temperatura ambiente, y de la altura de la chimenea. La temperatura de los humos no conviene que aumente por encima de ciertos lmites, ya que esto aumenta el calor que se pierde con los humos, y por tanto afecta al rendimiento de la ins-talacin. La temperatura ambiente es un parmetro impuesto sobre el que no podemos actuar. En consecuencia, para obtener el tiro necesario correspondiente a un rgimen de funciona-miento determinado slo podemos actuar bien sobre la altura de la chimenea o bien disminu-yendo las resistencias del circuito.

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    Disminuir las resistencias del circuito est en contradiccin con una buena cesin o transmi-sin del calor de los gases. Aumentar la altura de la chimenea (en los barcos suele ser de chapa de acero) supone dismi-nuir la temperatura media de salida de los humos, los cuales se van enfriando a medida que van ascendiendo, y, adems, aumentan las resistencias de friccin contra las paredes. En la actualidad la altura de la chimenea se limita mucho antes de llegar a este lmite tcnico por otras razones, como pueden ser la resistencia que oponen a la marcha o al problema de la su-perficie expuesta al viento sobre la estabilidad. Las altas chimeneas que antes se vean en los buques antiguos se fueron abandonando a medida que aumentaba su funcionalidad. Segn todo lo dicho se llega a un punto en el que ya no es conveniente aumentar el tiro por estos procedimientos, y hay que recurrir a crear la diferencia de presiones necesaria de forma artificial, por medio de ventiladores, eyectores u otro procedimiento anlogo. Tiro forzado En el tiro natural la velocidad de salida de los humos puede alcanzar una velocidad de 5 m/s, para aumentar esta velocidad a 25 m/s o ms se requiere el tiro forzado. El tiro forzado propiamente dicho es el que se logra aumentando la presin del aire antes de entrar en la caldera. Cuando se cargaba el carbn a mano, o incluso en parrillas automticas, la presin del hogar era igual a la presin atmosfrica ambiente de la cmara de calderas, es decir, si se quera que el tiro fuese forzado la cmara de calderas deba estar presurizada. La opcin de presurizar solamente la cmara de combustin result muy peligrosa por los retro-cesos de llama que se pueden producir hacia el lugar donde pueden estar los fogoneros. La opcin de crear un cierto vaco en el hogar de la caldera para forzar el tiro tampoco es ade-cuada, ya que creara entradas de aire en el hogar, lo que enfriara los gases y disminuira el rendimiento de la caldera. Otra opcin es el llamado tiro combinado: El paso de los humos a travs de la caldera, y, en su caso, del economizador o del calentador del aire de entrada, se deja a cargo del tiro natural, pero en el trayecto de los humos hacia la salida de la chimenea, se crea una aspiracin que fuerce el tiro. Esto se puede conseguir de dos formas:

    a) Mediante un ventilador que aspire los humos hacia la salida de la chimenea (tiro aspi-rado total).

    b) Mediante un eyector. El fluido motriz del eyector puede ser vapor, como en las anti-guas locomotoras, en las que se empleaba el vapor de exhaustacin de los cilindros, o utilizando parte de los humos, que a su vez son impulsados por un ventilador para re-cibir la carga total necesaria (tiro inducido).

    Esta ltima solucin, en principio, no es la ms ventajosa porque habra que multiplicar el rendimiento del ventilador (un 0,6) por el del eyector (un 0,5), lo que da un rendimiento mu-cho menor. El tiro inducido empleo primeramente como fluido motor el aire exterior, que era aspirado por un ventilador (circuito abierto), pero esto tena el inconveniente de que al mez-clarse el aire ms fro con los humos disminua el tiro de la chimenea, por lo que hubo que recurrir a los humos como fluido impulsor antes de que entrasen en la chimenea (tiro inducido en circuito cerrado).

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    Otra dificultad ms en el tiro inducido en circuito cerrado es conseguir un ventilador que sea resistente a la accin de los humos y a temperaturas relativamente elevadas, dificultad que tambin se presenta en el tiro aspirado total. Con el tiro inducido, la chimenea de chapa se termina en un cono ensanchado hacia lo alto que acta a modo de difusor. Como vemos, dentro de esta categora, el tiro combinado con aspiracin total es el que ofrece ms ventajas, pero tambin es el ms caro y complicado, requiere mayor espacio y tiene ma-yores gastos, y no slo de energa sino tambin de mantenimiento. Como conclusin general vemos que la solucin ms conveniente es la del tiro forzado sim-ple, lo cual se puede hacer por dos sistemas:

    a) Un ventilador que enva aire del exterior a la atmsfera de la cmara de calderas, la cual es estanca al aire, quedando sta con una cierta sobrepresin. El transito entre el exterior y el interior de la cmara de calderas es a travs de una esclusa con dos puer-tas, de manera que, por ejemplo, si una persona quiere entrar se encierra en la esclusa, a continuacin se presuriza sta y cuando la presin se iguala con la de la cmara ya puede abrir la puerta de la cmara y pasar. Para salir se realiza el proceso inverso, des-presurizando la esclusa de paso. Esta solucin, lgica cuando se utilizaba carbn como combustible y se cargaba a mano, presentaba el inconveniente de que el personal de calderas quedaba aislado, sobretodo ante algn accidente grave como la ruptura de una tubera de vapor, un incendio, etc., aparte del ruido ensordecedor de los ventiladores.

    b) Caldera de vaso cerrado. En este caso la caldera est rodeada de una doble envuelta o cajn estanco al que descarga un ventilador el aire necesario, y de all pasa al hogar para la combustin.

    La solucin del vaso cerrado es la ideal, sobretodo cuando el combustible es lquido, como ocurre en la propulsin naval, pues no hay que abrir los registros para palear el carbn; pre-senta, adems, la ventaja de que el aire de la combustin aprovecha el calor que emana del recipiente interior de la caldera. Otra ventaja de esta solucin es que podemos aumentar la presin de la cmara de combus-tin, lo que permite reducir el tamao de la caldera, al mandar ms cantidad de aire podemos quemar ms combustible en el mismo volumen de hogar y mejorar la transmisin del calor al aumentar la velocidad de los humos. Adems se evita el escape de humos al ambiente de la cmara de calderas al tener esta envuelta presurizada. Los ventiladores que realizan esta funcin pueden ser elctricos o movidos por turbinas de vapor, y deben ser capaces de hacer frente a las prdidas de carga o resistencias que ofrecen los estrechos espacios entre la pared de la caldera y la exterior, as como a los cambios brus-cos de direccin que sufre el aire caliente, adems de permitir un amplio margen de caudal para hacer frente a las posibles sobrecargas que pueda admitir la caldera, y con una regulacin amplia y fina.

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    CALDERAS DE CIRCULACIN FORZADA El agua impulsada por la bomba de alimentacin pasa sucesivamente por las siguientes zonas:

    Economizador. Radiacin del hogar. Conveccin. Recalentador.

    La mezcla de agua y vapor puede circular como un fluido casi homogneo si se evita la for-macin de bolsas de vapor en la parte de haces tubulares sometidos a la radiacin. Es preciso que el flujo sea ascendente en los tubos pequeos del hogar fuertemente cargados calorfica-mente y descendente slo en los grandes tubos de cada por donde circula el gasto total y rela-tivamente poco cargados calorficamente. Para conseguir que el flujo sea ascendente en todos lo tubos pequeos dispuesto en paralelo es preciso que las prdidas de carga sean rigurosa-mente las mismas en todos ellos. Por ello se pueden unir en algunos puntos por puentes que son verdaderas conexiones equipotenciales. En las calderas de circuito cerrado con colector, una variacin brusca del rgimen la absorbe el caldern separador. Calderas de circulacin forzada La circulacin del agua dentro de la caldera se puede dejar a los movimientos debidos a la conveccin natural que produce la diferencia de densidades entre el agua ms caliente y la ms fra (circulacin natural), o forzar este movimiento por medio de una bomba o de un dispositivo similar (circulacin forzada). En la circulacin forzada las superficies de calefac-cin se pueden disponer de la manera ms conveniente, sin las restricciones de forma a las que quedan obligadas las calderas de circulacin natural, lo que tiene como ventajas:

    a) Un proyecto ms lgico de la caldera al poder disear la cmara de combustin de la forma ms adecuada para el combustible y los quemadores empleados, y disponer los tubos para conseguir la mejor transmisin del calor por conveccin (normalmente se-rn perpendiculares a la corriente de los humos) y mayor aprovechamiento del calor de radiacin, pudindose rodear de tubos toda la cmara de combustin. El hogar de las calderas de circulacin forzada est casi siempre totalmente refrigerado por fuera.

    b) Al tener mucha menor importancia la resistencia de los circuitos al paso del agua se pueden utilizar tubos ms pequeos que en las calderas de circulacin natural, con lo que mejora la transmisin del calor, al presentar los tubos mayor superficie total ex-puesta a la radiacin.

    c) Al estar la circulacin asegurada por una bomba, se puede distribuir el agua como ms convenga entre los distintos tubos segn el calor que reciban.

    Las calderas de circulacin forzada las podramos clasificar en dos grupos: Las que disponen de un colector o caldern donde se separa el agua del vapor (ejemplo clsicos son la caldera la Mont o la Velox) y las unitubulares (como las antiguas Benson o Sulzer), que se basaban en que si el vapor est muy cerca de sus condiciones crticas apenas se produce expansin de su volumen especfico, por lo que el servicio se logra con un nico tubo a modo de serpentn. Este ltimo tipo de calderas tuvieron una vida bastante efmera por las dificultades tcnicas que presentaba trabajar a presiones tan altas.

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    Caldera la Mont En el fondo no es ms que una caldera de circulacin natural a la que se le ha sustituido el efecto sifn por una bomba de circulacin, la cual aspira el agua del caldern para introducirla en los haces de tubos donde se evapora en parte, retornando el agua mezclada con el vapor formado al caldern, donde se separan. Si la caldera est dotada de recalentador, el vapor entra y circula por l gracias a la aspiracin natural que producen las mquinas o aparatos consumidores. El economizador de estas calderas se caracteriza porque, durante los periodos en los que no se alimenta, se hace circular por l el agua de la caldera, aumentndose as, temporalmente, la superficie de los tubos hervidores. Una caracterstica de la caldera la Mont es la manera de distribuir el agua entre los distintos tubos hervidores por medio una especie de toberas montadas a su entrada. Estas toberas, en esencia, no son ms que un diafragma con un taladro en medio, el cual tiene como misin estrangular la corriente de circulacin, produciendo una resistencia o cada de presin, que al ser mayor que la debida a la resistencia propia de los tubos, permite regular o igualar la resis-tencia que ofrece cada uno de ellos al paso del agua. Adems estas toberas ofrecen otra venta-ja, evitan que se produzca una circulacin en sentido contrario al deseado, con lo que se evita que el tubo se vace y, en consecuencia, que se queme, por lo menos en su parte alta. Tambin se puede poner el agua de circulacin en el recalentador, ya que si no se pone un medio que lo refrigere durante el encendido, no se podra hacer ste tan rpidamente como permite la circulacin forzada de los vaporizadores por ponerse los tubos recalentadores a la misma temperatura que los gases de escape, al faltar la circulacin del vapor. Obviamente alcanzado el rgimen normal de funcionamiento este agua habr que purgarla. El caldern pertenece al modelo tpico la Mont, con la descarga de los tubos hervidores en la zona de agua del caldern, que est separada de la zona de vapor por una pantalla de hierro curvada, que hace que el agua descargada por los tubos caiga en forma de cascada, mientras se separa el vapor formado, mejorando de esta forma la separacin del agua del vapor. Con un propsito similar hay otra chapa en forma de persiana en la toma de vapor. Otro detalle interesante del caldern es que, en la aspiracin de la bomba de circulacin, hay montada una especie de tobera cuyo objeto es evitar una depresin de la tubera de aspiracin, que podra provocar bolsas de vapor. Esta aspiracin, adems, est protegida por unas panta-llas contra la entrada de vapor del caldern. La bomba de circulacin se debe montar en el punto ms bajo posible, y de tal modo que se eviten las prdidas de carga o bolsas (es decir, las curvas) en la tubera de aspiracin. Convie-ne observar que los tubos de la bomba, aspiracin y descarga, estn sometidos a dilataciones bastante considerables. Esto produce prdidas en las juntas, desalineacin de la bomba u otros defectos, que producen averas o incluso la rotura de la bomba. La distribucin del agua de circulacin entre los distintos tubos vaporizadores se hace en unos colectores o distribuidores de acero fundido o forjado, en los que se mandrinan los tubos y se montan las toberas correspondientes. Tanto para evitar las tensiones trmicas en la parte man-

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    drinada, como para hacerlas ms accesibles al reconocimiento y montaje de las toberas, estos distribuidores se montan en la parte exterior de las calderas. Los tubos vaporizadores tambin van mandrinados al caldern. Las uniones de los tubos entre s, y las de los tubos economizadores y recalentadores a sus colectores pueden hacerse por soldadura, por estar estas uniones ms expuestas a prdidas. Caldereta la Mont de gases de escape La posibilidad de adaptar la superficie de evaporacin a una forma cualquiera, hace que el principio de la caldera la Mont sea muy adecuado para la produccin de vapor aprovechando el calor de los gases de escape de los motores de combustin interna, ya que se puede evitar hacer una desviacin de los conductos de exhaustacin de los motores para que entren en la caldereta, simplemente basta con colocar en dichos conductos unos serpentines por los que una bomba haga circular el agua que aspira de la caldereta y a la que, a su vez, vuelven de retorno a descargar con el agua y vapor que se forme. Este sistema tiene otra ventaja sobre los dems tipos de caldereta de gases de escape: poder producir el vapor que se precise independientemente de la marcha de los motores, basta con encender o regular el mechero que lleva la caldereta. Los serpentines vaporizadores se disponen en planos normales a la direccin de los gases de escape. Para disminuir la temperatura de los gases por encima de lo que permite la temperatura del vapor, se puede poner, adems, un economizador a continuacin de los tubos vaporizadores.

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    SOPLADORES DE HOLLN Formacin del holln El holln se forma a partir de las partculas que van en suspensin en los humos y que se de-positan en los tubos y paredes por no haber realizado una combustin completa. Si adems estn en forma pastosa, estas partculas se adhieren ms fcilmente a las distintas superficies formado el holln, principalmente en los primeros tubos, y pueden llegar a formar una barrera que interrumpa el paso de los humos. Por este motivo, los primeros tubos estn ms distan-ciados. Los calentadores de aire contribuyen a evitar que se forme el holln, pues al calentar el aire que entra al hogar facilita la combustin completa de las partculas de combustible. Daos que ocasiona A parte del posible peligro de incendio, el holln depositado en la parte exterior de los tubos acta como un aislante perjudicando la transmisin del calor, por lo que no se debe permitir que se acumulen. La disminucin en la transmisin del calor provoca:

    1. La caldera produce menos vapor y disminuye su rendimiento: a) Los gases salen ms calientes por la chimenea. b) Existe peligro de forzar la caldera al introducir ms combustible para mantener el

    mismo rgimen de produccin de vapor, aumentando as la temperatura de los humos, y puede ser la causa de que los tubos se quemen o que se estropee el re-fractario.

    2. Cuando la caldera est caliente, el holln depositado est seco, y al existir un gradiente de temperaturas en los tubos a travs de la capa depositada, la parte exterior est a temperatura ms alta y puede incendiarse si los gases estn muy calientes, y ms si sa-len pavesas o chiribitas del hogar.

    3. Puede originarse la llamada combustin de Lande. Esta combustin se produce al re-accionar el hierro en presencia de vapor de agua cuando est a una temperatura por encima de 700 C, formndose xido ferroso frrico y desprendiendo hidrgeno li-bre.

    3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2

    Conviene tener presente que para que se produzca este fenmeno no se necesita que el vapor est disociado en hidrgeno y oxgeno, ya que, por ejemplo, a 2 656 C solamente se produce una disociacin del 11%, y a las mayores temperaturas que se pueden alcanzar en las calderas esta disociacin puede alcanzar el 0,0007%. La reaccin se presenta fatalmente cuando se encuentra el hierro con el vapor de agua a 700 C o ms. La reaccin es exotrmica, por lo que contina por si sola autoalimentndose, a no ser que la temperatura baje de 700 C, o bien desaparezca alguno de los dos reactivos. Esta temperatura se puede alcanzar por falta de circulacin en el recalentador (mquinas para-das) o en el economizador, as como cuando en el caldern baja el nivel del agua lquida hasta los extremos superiores de los tubos vaporizadores. Una vez que se ha roto un tubo, el hidr-

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    geno desprendido se quema con el oxgeno del aire, lo que produce un alto calentamiento de los tragantes de las cajas de humos y de la parte baja de la chimenea. El primer sntoma que se presenta en la instalacin debido a este fenmeno es una prdida fulminante del vaco de los condensadores como consecuencia de la presencia de un volumen apreciable de hidrgeno que no se condensa por ser un gas, y de muy difcil extraccin por los eyectores. El empleo de apaga fuegos a base de vapor es contraproducente, pues aviva la reaccin. Los apaga fuegos de espuma no producen efecto alguno porque tienen muy poca capacidad de enfriamiento. Los sistemas de gas inerte tampoco funcionan, pues no aslan los reactivos. El nico medio eficaz de extincin es hacer llegar agua fra en abundancia al lugar del incendio para que produzca un descenso de la temperatura por debajo de los 700 C. Generalidades sobre la eliminacin del holln Existen distintas soluciones para eliminar el holln que se va acumulando en las superficies de los distintos elementos de la caldera, como pueden ser:

    a) Rascado de los tubos y extraccin posterior de los depsitos. Este procedimiento pre-senta la incomodidad de su ejecucin, especialmente a bordo (hay que esperar a que se enfre la caldera, accesibilidad, etc.), por lo que en la prctica no se suele usar.

    b) Adicin de ciertas sustancias al combustible (aditivos). Este procedimiento ms que eliminar el holln lo que hace es evitar que se forme. Puede ser caro y aumentar el desgaste de los quemadores.

    c) Por medio de sopladores de holln, que es el sistema utilizado en la prctica. Aunque existen sopladores de holln que trabajan con aire comprimido, la mayora de los ti-pos marinos utilizan vapor recalentado procedente de la caldera. Los tres tipos principales son:

    1. Soplador retrctil. 2. Soplador no retrctil. 3. Soplador de varias toberas.

    Sopladores de holln El soplado debe realizarse cuando la caldera est caliente, de modo que el holln est seco, ya que debido al gran poder higroscpico que tiene, si est hmedo no se desprender. Por este motivo el vapor empleado debe ser recalentado siempre que se pueda. Precisamente una de las principales desventajas de los sopladores de holln de vapor son las prdidas de agua del cir-cuito. Por lo que respecta a la direccin del soplado, sta debe ser la de los humos para que el holln sea arrastrado por el tiro y no se deposite en los remansos del recorrido, lo que supondra un peligro mayor que el que se pretende evitar al encontrarse en concentraciones mayores. Las grandes cantidades de holln descargadas a la atmsfera cuando los sopladores se usan de forma intermitente puede obligar a que el barco cambie de rumbo para hacer que el viento le llegue de costado.

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    Esencialmente un soplador consiste en un tubo con orificios a travs de los cuales salen cho-rros de vapor. Una tobera convergente divergente, bien calculada, produce una corriente laminar, pero si cortamos esta tobera por la garganta, cuando salga el vapor experimentar una expansin muy brusca formndose torbellinos, lo que permite cubrir un rea mayor y ata-car a los tubos por ms de un frente. La expansin del vapor desde una presin alta a una presin prcticamente igual a la atmosf-rica, puede producir una cierta humedad, lo que puede ser otro inconveniente, no slo porque el holln es higroscpico sino porque las gotas de agua proyectadas a gran velocidad contra los tubos acaban erosionndolos. Aunque estas gotas se acaban convirtiendo en vapor por el calor de los gases de salida, puede ocurrir que no haya distancia suficiente entre el soplador y los tubos para que esto ocurra. Por ello el soplador debe llevar un orificio de restriccin para que el vapor se expanda en la tobera de forma adiabtica cuando reduzca su presin en el es-trangulamiento, y est todava recalentado cuando salga del soplador. Si cuando estn funcionando los sopladores se ponen los ventiladores del tiro forzado a su mxima velocidad ayudarn a que el holln desprendido salga de la caldera por la chimenea. Si los sopladores de holln giran 360, en algn momento soplarn en sentido contrario al del tiro. Para evitar esto se puede controlar la admisin del vapor al soplador de forma que el ba-rrido solamente se produzca durante la fase conveniente de la revolucin. Cada soplador consta de un tubo con una serie de orificios llamados toberas y que se extiende de parte a parte a travs de los haces de tubos la caldera. Las toberas se disponen de forma que el vapor que salga de cada una de ellas no incida directamente sobre el primer tubo adya-cente, pues la gran velocidad con la que sale el vapor podra erosionarlo. La admisin y corte del vapor se realiza por medio de una vlvula operada por un camn y un balancn. El camn y el tubo se manejan, bien por medio de una rueda con una cadena sin fin, o por medio de un eje que hace girar un pin engrando a un pin principal. Cuando el soplador de holln no se utiliza, se hace fluir una pequea cantidad de aire fro a travs del soplador que sale dentro de la caldera por las toberas, as se evita que se queme o se funda. Una vlvula de retencin cierra el flujo de aire cuando el soplador entra en movimien-to, as se evita que el vapor penetre en la caja de aire. Un tipo de soplador de holln son los de tobera simple retrctil. Este tipo de soplador dirige chorros de vapor en forma de abanico en direccin al haz de tubos. Cuando no trabaja, el tubo del soplador descansa sobre un engranaje y cuando se le da la vuelta a una rueda se le obliga a extenderse hacia el interior de la caldera, y al llegar al final de su recorrido los orificios que-dan alineados con la admisin de vapor, fluyendo ste a travs de la tobera sobre la pantalla de agua y los haces de tubos de recalentador. El ngulo de descarga a travs de la tobera es de unos 58. Los metales y aleaciones de los que estn fabricados los sopladores varan segn la tempera-tura de los gases a los que estn expuestos. En cualquier caso no se pueden hacer desaparecer por soplado los depsitos de holln en los recalentadores ni los depsitos endurecidos en los economizadores, por lo que se debe recurrir a un lavado con agua o a un rascado.

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    El consumo de vapor de los sopladores vara con el tipo y tamao. Su consumo puede tener importancia, especialmente si la caldera es pequea: Respecto a la colocacin de los sopladores hay que tener en cuenta:

    a) Los sopladores situados en la pared del fondo son los que estn ms expuestos a la ac-cin de la llama, por lo que se deberan usar los de tipo retrctil cuando las temperatu-ras o la dificultad de colocacin as lo aconsejen.

    b) Los sopladores que se siten en la parte frontal debern disponerse de tal forma que no sea necesario apagar los quemadores cuando haya que realizar la operacin de sopla-do. De no poder ser as habr que procurar que las veces que haya que apagar sea lo menor posible. Cuando exista riesgo de que pueda penetrar petrleo en las toberas de los sopladores se deben emplear los de tipo retrctil.

    c) Se debe procurar que el aire de refrigeracin de los sopladores sea el adecuado, sin que esto afecte al mismo tiempo a la instalacin general al disminuir la temperatura del hogar.

    d) Si se tuviese que utilizar ladrillo refractario en la parte posterior de los sopladores, ste debera ser capaz de soportarse a s mismo.

    e) Como ya se ha dicho, los sopladores deben situarse para que soplen a favor del tiro, y no en contra, ya que el flujo combinado del vapor y los gases de salida favorecen la limpieza y la evacuacin.

    f) Se debe poner una especial atencin en la colocacin de los sopladores entre las super-ficies de calefaccin para que los chorros queden alineados con los claros de las filas adyacentes al tubo del soplador.

    Sopladores por impulsos de aire Estos sopladores funcionan descargando pequeos impulsos de aire de muy corta duracin. Cada golpe es seguido de una pequea rotacin de la cabeza del soplador para que la superfi-cie total a barrer sea recorrida por los sucesivos golpes de aire. El tiempo total empleado du-rante el funcionamiento de este tipo de sopladores es de unas dos horas, por lo que la concen-tracin del holln que sale por la chimenea no es tan molesta.

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    DESARROLLO DE LAS CALDERAS MARINAS Antiguamente el hogar de las calderas quedaba encerrado por paredes de tubos de agua, inclu-so algunas veces incluan los frentes. En esa poca no se aplicaba la pared de tubos de mem-brana, pero ya se soldaban los tubos a los cabezales, sobrecalentador y economizador. La pa-red de los tubos de membrana se incorpor despus. En las calderas marinas a veces se presentan problemas de vibraciones. Con el aumento de los tamaos, la longitud de los tubos ha aumentado tambin, lo que conlleva una frecuencia natu-ral ms baja en la vibracin transversal de los tubos. Al disminuir esta frecuencia cabe la po-sibilidad de que coincida con la causada por la hlice o el sistema de ejes, lo que acabara produciendo una rotura por fatiga en la arraigada de los tubos con su colector. En algunos proyectos se han dispuesto piezas metlicas entre tubos, otra solucin consiste en dar a los tubos un ligero recodo hacia la mitad de su longitud. Con este procedimiento su frecuencia natural puede ser elevada al doble. Con el aumento de las presiones y temperaturas del vapor, el diseo de las juntas entre tubos y cabezales precisa consideraciones especiales para prevenir cualquier fuga. Los tubos del so-brecalentador, por ejemplo, van mandrinados en los cabezales del sobrecalentador para calde-ras de 41 bar y 450 C. Para 61 bar y 515 C las uniones de los tubos con sus cabezales van soldadas. Flujo de aire y quemadores El estudio del flujo en el hogar es importante para evitar que la llama entre en contacto con sus paredes, obtener una combustin estable con el mnimo exceso de aire y mejorar la absor-cin del calor por las paredes de agua del hogar. Uno de los parmetros del diseo de una caldera es la tasa de calor cedido en el hogar. Esta tasa se define como la cantidad de calor liberado por unidad de volumen del hogar. La intro-duccin de las paredes de tubos de membrana en todos los costado del hogar y la mejora en la tecnologa de los quemadores permiten mejorar esta tasa. Separacin del vapor Es de gran importancia que las calderas produzcan vapor de gran calidad. En la mayora de los casos una especie de llovizna e impurezas son arrastradas desde el colector de vapor a los tubos del sobrecalentador, lo que acaba produciendo un sobrecalentamiento de los tubos debi-do a la formacin de costras. El nivel de agua en el caldern tiene una gran importancia en la pureza del vapor. La separa-cin del agua en este colector se consigue generalmente usando planchas perforadas a la altu-ra del nivel del agua y separadores de niebla en el espacio de la toma de vapor. La combustin y la transmisin del calor son los dos principios bsicos para el diseo de una caldera. Hay que racionalizar el diseo de los hogares y las superficies de conveccin para conseguir menor peso y espacio, sin sacrificar la maniobrabilidad y la accesibilidad para el mantenimiento de la caldera.

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    GENERADORES DE VAPOR EN BUQUES CON PROPULSIN DIESEL Sistemas de recuperacin del calor Las plantas generadoras de vapor a bordo de buques con propulsin diesel se caracterizan por tratar de cubrir sus necesidades energticas a partir del calor sensible de los gases de escape del motor principal, y, cuando esto no es posible, complementarlo quemando combustible. En la figura se representan las cinco soluciones ms comunes. En la mayora de los buques de carga, las necesidades de vapor se cubren de sobra mediante la recuperacin del calor sensible de los gases de escape del motor. Las soluciones usuales corresponden a las opciones a, b y c de la figura, que tiene la circulacin natural. Si, efectivamente las necesidades de vapor son mnimas, una caldera mixta, solucin a, es suficiente. En este caso el haz convectivo se calienta durante los periodos de navegacin con los gases de escape del motor y en puerto mediante un quemador. Probablemente sea la solu-cin ms econmica, pero tiene el inconveniente no permite el calentamiento simultneo con ambas fuentes de calor. La solucin b corresponde a una caldera compuesta, en ella las superficies de calefaccin para los gases de escape del motor y la de los gases de la combustin de la propia caldera son dis-tintos, pudindose combinar simultneamente todas las posibilidades de calefaccin que ofre-ce. Para necesidades de calefaccin comprendidas entre 1 t/h y 4 t/h es la solucin ptima desde el punto de vista econmico porque cubre prcticamente todas las necesidades de vapor durante la navegacin aprovechando nicamente los gases de escape del motor; en puerto o en las puntas de demanda utiliza los quemadores. La solucin c representa una mayor seguridad de suministro, por la redundancia que supone la doble caldera. Tiene un mayor coste inicial y de mantenimiento. Al incrementarse las necesidades de vapor durante la navegacin se hace necesario recurrir a la circulacin forzada, soluciones d y e. La opcin e se aplicara bsicamente a los petroleros, en ella se dispone de un economizador y un sobrecalentador para conseguir una recuperacin mxima del calor sensible. El economi-zador se aparta del economizador convencional ya que hace circular agua subenfriada en vez de agua de alimentacin. La razn es que cuando desaparece la demanda de vapor, en una caldera clsica, los fuegos se apagan y el regulador de agua corta la alimentacin de agua al economizador, mientras que en caso del esquema e, al cesar la demanda de vapor, el econo-mizador se quedara sin circulacin de agua interior mientras los gases de escape continan calentndolo, esto hara que se formase una bolsa de vapor en su interior con el agua estanca-da. Cuando volviese a surgir la demanda se abrira de nuevo la vlvula del regulador del agua de alimentacin, disminuyendo bruscamente la presin en el economizador, con formacin adicional de vapor, dando lugar a un rgimen transitorio con inestabilidades y choques trmi-cos. Cuando se desea una recuperacin mxima del calor sensible aparece una limitacin en la temperatura de funcionamiento para no alcanzar el punto de roco de los cidos derivados del azufre (sulfrico, sulfhdrico, sulfuroso, etc.), que surgen como consecuencia del contenido de azufre de los combustibles y que salen con los humos

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    Los esquemas de circulacin forzada se basan, por tanto, en una alimentacin directa al calde-rn de la caldera de quemadores, circulando agua extrada de la parte inferior del mismo y a una temperatura variable, segn la demanda de vapor. Circula, por tanto, una mezcla de agua saturada y agua fra de alimentacin. Probablemente sean los petroleros los buques que ms demandan el vapor, ya que lo necesitan para distintas funciones especficas, como pueden ser la calefaccin de la carga, la descarga y limpieza de tanques. Esto les exige una planta generadora de vapor de cierta importancia, aunque su propulsin principal sea diesel. Si la propulsin principal fuese el vapor se suelen utilizar los generadores de doble evaporacin o vapor/vapor. Estos consisten bsicamente en un intercambiador de calor en el que se emplea como fluido calefactor el vapor vivo proce-dente de las calderas principales, mientras que el vapor secundario obtenido se emplea, en general, para aquellos servicios donde exista el riesgo de contaminacin. Los componentes de una caldera de doble evaporacin son, por tanto, un generador de alta presin (unos 40 bar), un intercambiador de calor, donde a partir del agua, no siempre de muy buena calidad, se produce vapor de baja presin (unos 12 bar o incluso ms) y finalmente puede existir un sobrecalentador para el vapor de baja presin, calentado con los gases de escape del generador principal de alta presin. Como es sabido, la totalidad de las calderas propulsoras procedentes de los Estados Unidos, y un gran porcentaje de las europeas han sido las llamadas de dos colectores o tipo D (por la forma que describen los tubos), desarrolladas durante los aos 1930 1940 y ampliamente aplicadas en las dcadas de 1950 y 1960. Estas calderas suelen quemar combustibles residua-les (ms baratos) con contenidos importantes de azufre (corrosin en la zona de bajas tempe-raturas) y vanadio (corrosin en la zona de altas temperaturas). Otro tipo similar de caldera es la llamada de tipo A, que consta de un caldern o colector de vapor y dos colectores inferiores de agua. El control de las plantas generadoras de vapor anteriores exige una regulacin tanto de las caloras cedidas por los gases de escape como del caudal del combustible a quemar, adems del nivel de agua en el caldern de vapor. Todos estos controles se pueden conseguir por los siguientes mtodos:

    1. Mediante bypass de los gases de escape. 2. Variando la superficie efectiva de intercambio de calor. 3. Variando la presin de trabajo del vapor. 4. Variando la temperatura del agua de circulacin. 5. Variando el caudal del agua de circulacin. 6. Condensando el exceso de vapor en un condensador auxiliar.

    El fundamento fsico de los mtodos tercero y cuarto es que la transmisin del calor es pro-porcional a la diferencia media logartmica de temperatura entre el fluido caliente y el fro, y que esta diferencia vara con la presin del vapor saturado y con la temperatura del agua de circulacin a la entrada del intercambiador de calor o caldereta. Las instalaciones correspondientes a los esquemas a y b de la figura, slo admiten el primer mtodo de regulacin. De todas formas es esencial tener en cuenta las necesidades mnimas

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    de vapor, que pueden ser nulas, pues no conviene que alguna placa tubular quede sin circula-cin (refrigeracin), por lo que resulta prcticamente obligado disponer de un pequeo con-densador auxiliar que asegure un cierto consumo a un nivel mnimo (mtodo quinto). En los caso de circulacin forzada (esquemas d y e de la figura) todos los mtodos son acep-tables, siendo el primero la solucin ms simple. Sin embargo, para los grandes petroleros, el elevado caudal de gases hace que esta solucin no se haya adoptado habitualmente, sino ms bien el mtodo segundo, o una combinacin del tercero y el cuarto. Siempre se dispone, ade-ms, de un condensador auxiliar para cuando la demanda de vapor sea mnima. El mtodo tercero presenta el inconveniente prctico de tener que trabajar con una presin de vapor variable. El cuarto est basado en un cambio de la temperatura del agua de circulacin a la entrada de la caldera. Su margen de regulacin es muy pequeo y por ello se usa en combi-nacin con el mtodo tercero. Desde el punto de vista de la complejidad del sistema de regulacin el mtodo primero es el ms simple, mientras que la combinacin del tercero y el cuarto resulta la ms complicada. El mtodo segundo es el intermedio, pero presenta el inconveniente de una mayor posibilidad de formacin de depsitos en el interior de los tubos debido a la evaporacin rpida que se pro-duce despus de cerrar las vlvulas automticas de control, por lo que si se utiliza este mtodo se deben cuidar muy bien la calidad de las aguas que se usen.

    Sistema de recuperacin del calor de los gases de escape

  • ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA NAVAL Y OCENICA

    SITEMAS DE PROPULSIN DE BUQUES Y ARTEFACTOS

    BIBLIOGRAFA

    SISTEMAS DE PROPULSIN DE BUQUES Y ARTEFACTOS

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    College. ISBN: 978-970-10-6404-7.

    Disponible en la biblioteca de la Upct [MEC CCE MAQ BUD DIS]