VAPORIZADORES (CLADERAS, CALDERINES Y HERVIDORES)

INTRODUCION:

Una de las partes importantes para el funcionamiento de una industria son las maquinarias, ya que ellas se encargan de aumentar y acelerar los procedimientos, perfeccionan los trabajos, extienden el consumo y satisfacen muchas necesidades, como en el caso de los vaporizadores o calderas. Los cuales son equipos de transferencia de calor con cambio de fase los cuales son ocupados ampliamente en la industria, mediante la transferencia de calor permite evaporar una corriente de procesos.

Definición:

Transferencia de calor._ Se ha referido al calor como una forma de energía de tránsito. Siempre que exista una diferencia de temperaturas entre dos cuerpos o entre dos porciones de un mismo cuerpo, se dice que el calor fluye en una dirección de mayor a menor temperatura. Hay tres métodos fundamentales mediante los cuales ocurre este intercambio de calor: Conducción, convección, y radiación. (Mendoza, 2018)

Además, podemos encontrar Intercambiadores de calor, el cual se puede definir como un equipo de transferencia de calor empleado en procesos químicos con la finalidad de intercambiar temperaturas entre dos corrientes de un proceso.

Dentro de los intercambiadores de calor según su tipo de servicio se pueden encontrar:

Vaporizadores:

Shield (1979) expuso varios conceptos básicos acerca de los generadores de vapor, los cuales son instalaciones industriales diseñadas para convertir agua líquida en vapor a partir del intercambio térmico entre el agua y una fuente de alto contenido calórico, la cual puede ser gases de combustión u otro fluido. Este vapor se destina a una gran variedad de aplicaciones, entre las que se encuentran la producción de energía eléctrica y el calentamiento en procesos industriales.

Los generadores de vapor más conocidos son: Los hervidores, los calderines y las calderas, ellos pueden ser de muchas formas y tamaños determinados por los requerimientos del usuario y las limitaciones de espacio. (Andrade-Liviapoma, 2015)

Calderas._ es un tipo de máquina de calefacción, que produce dicho calor mediante el proceso de calentar agua a través de un combustible o electricidad, para luego transportarla por tuberías para lograr la transmisión de calor a los espacios.

En la industria una caldera o generador de vapor es un recipiente metálico, cerrado, dotado de una fuente de calor donde se calienta o se hace hervir el agua. En términos generales, una caldera es un intercambiador de calor que aprovecha el calor que se produce al quemar un combustible, ya sea sólido, líquido e incluso gaseoso, donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor de un fluido (principalmente agua), esto se logra mediante la acción del calor a una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la atmosférica.

El objetivo de una caldera, además de generar vapor, es realizar la transferencia de calor con la máxima eficiencia, definiéndola como la relación entre el máximo calor que puede liberarse en el hogar y el calor absorbido por el agua en los elementos de la caldera.

Cuando se selecciona una caldera se deben considerar los siguientes parámetros:

Flujo másico de vapor requerido.
Presión, temperatura, calidad del vapor requerido.
Futuros requerimientos en la planta.
Localización.
Características de la carga.
Tipos de combustibles disponibles.
Diseño de quemadores.
Calidad del agua de alimentación.
Variaciones previstas de la carga.

La producción de una caldera se da frecuentemente en kilogramos de vapor por hora, pero dado que el vapor a distintas presiones y temperaturas posee diferentes cantidades de energía, aquel sistema no mide exactamente la energía producida. De este modo, la capacidad de una caldera de vapor se expresa concretamente en forma del calor total transmitido por las superficies de intercambio en kJ/h.

La producción en kg/h normalmente se expresa en kg de vapor a la temperatura y presión de diseño de la caldera, también llamada capacidad nominal correspondiente al nivel de producción donde la caldera trabaja con mayor eficiencia. (Andrade-Liviapoma, 2015)

Calderín._ es un intercambiador evaporador usado para suministrar calor en el fondo de una columna de destilación ya sea que el vapor formado sea agua o no.

También llamada “la botella de líquido” y su función es la siguiente:

Alimenta la válvula de expansión de manera permanente con la ayuda del tubo interno sumergible
Es un compensador de líquido, alimenta la válvula de manera permanente
Es un buen recuperador de líquido en caso de intervención

Hervidores._ son intercambiadores de calor que se utilizan normalmente para proporcionar calor al fondo de las columnas de destilación industrial . Hierven el líquido del fondo de una columna de destilación para generar vapores que se devuelven a la columna para impulsar la separación por destilación. El calor suministrado a la columna por el hervidor en la parte inferior de la columna es eliminado por el condensador en la parte superior de la columna.

El funcionamiento adecuado del hervidor es vital para una destilación eficaz. En una columna de destilación clásica típica, todo el vapor que impulsa la separación proviene del hervidor. El hervidor recibe una corriente líquida del fondo de la columna y puede vaporizar parcial o completamente esa corriente. El vapor suele proporcionar el calor necesario para la vaporización.

Esquema:

Calderas

Las calderas industriales o generadores de calor son equipos complejos capaces de producir calor al quemar combustible. Dicho de otro modo, se trata de instrumentos térmicos que tienen como propósito convertir el agua o fluido de calor portador en vapor mediante la quema de cualquier tipo de combustible. En la actualidad, se utilizan en numerosos procesos industriales que requieren altas temperaturas como en la industria química o petroquímica, entre otras.

Dentro de las diferentes partes que conforman una caldera industrial, tenemos:

Quemador de una Caldera: Elemento de una caldera encargado de quemar el combustible.
Hogar o Cámara de Combustión: Es la parte de la caldera donde se quema el combustible y se encuentran las temperaturas más altas.
El Circuito de Humos de una Caldera: Su característica principal es la de conducir los humos que producen en la combustión hacia la caja de humos.
Caja de Humo de una Caldera: Es la parte de la caldera donde confluyen los humos que después salen hacia el exterior por la chimenea.
Retorno de Agua de una Caldera: Es la toma por donde retorna el agua que viene de los radiadores o el acumulador.
Salida de Agua de una Caldera: Es la toma por donde el agua es enviada a la instalación una vez ha entrado en la caldera y se ha calentado.
Circuito de Agua de una Caldera: Es la parte de la caldera por donde el agua circula mientras se calienta al absorber el calor que es transmitido por radiación, conducción y convección. (Euroair, 2021)

· Partes de una Caldera de Calefacción o de Gasoil.

Caldera Pirotubular:

Calderin.

Carga una capacidad de líquido suficiente para mantener un buen funcionamiento de la instalación. Cuando el grupo está en marcha el tubo está totalmente sobre presión lo que permite al líquido de salir hacia la válvula de expansión pasando por el filtro secador sin ningún problema.

Clasificación:

Las calderas se clasifican basándose en características como su uso, presión de trabajo, materiales, tamaño, por flujo a través de los tubos, sistema de combustión, fuente de calor, clase de combustible, fluido utilizado, sistema de circulación del agua (Shield, 1979). El desarrollo de la tecnología de combustión de calderas, el aumento de los parámetros de vapor y la capacidad hacen que hoy coexistan diferentes tipos de calderas como se observa.

Por flujo a través de los tubos._ Según esta clasificación hay dos clases generalizadas de calderas: pirotubulares y acuotubulares.

Calderas pirotubulares: Severns y Miles (1974) expusieron que son las calderas que están dotadas de tubos rodeados de agua y a través de cuyo interior pasan los gases de la combustión. Estos tubos están instalados normalmente en la parte inferior de un calderín sencillo o un casco, por debajo del nivel de agua. La generación de vapor de alta presión es una de las mayores limitantes de este tipo de calderas.

Las calderas pirotubulares, generalmente, son utilizadas para capacidades de hasta 50.000 lb/h y presiones hasta 300 psig. Sin embargo, una presión de 250 psig y una producción hasta de 25.000 lb/h son consideradas los topes prácticos para este tipo de calderas.

Calderas acuotubulares: En este tipo de calderas, los tubos contienen en su interior el vapor y/o el agua líquida, mientras que el fuego y los gases de combustión son aplicados en la superficie exterior de los mismos, lo que hace que pueda utilizarse cualquier tipo de combustible dependiendo del tipo de parrilla utilizada. Una caldera acuotubular consta básicamente de calderines y de tubos.

Los tubos a través de los cuales circula el agua líquida y el vapor generado están fuera de los calderines, estos son utilizados solo para almacenar agua líquida y vapor, por lo que pueden ser mucho más pequeños en diámetro que el calderín de una caldera pirotubular y pueden soportar mayores presiones.

Por sistema de circulación del agua._ Shield (1979), Severns & Miles (1974) y Alvarez (2002) hablan de este tipo de clasificación. Con el objetivo de generar vapor y controlar adecuadamente la temperatura del metal en los tubos de todos los circuitos, es necesario mantener un adecuado flujo de agua y de la mezcla de líquido-vapor.

Calderas a circulación natural: Es la de empleo más común y donde la circulación está asegurada por la diferencia de peso específico que existe entre la columna ascendente constituida por una mezcla de líquido-vapor, y la columna descendente de líquido.

Calderas a circulación forzada: Este tipo de calderas utilizan bombas de múltiple etapa que permiten aumentar notablemente la producción de vapor de calderas, instalando pantallas de tubos en la cámara de combustión. Este dispositivo garantiza una protección eficaz de los refractarios que constituyen las paredes de la cámara de combustión. Otra ventaja de las pantallas tubulares es la de aumentar de modo sensible el rendimiento térmico de las viejas calderas.

Por el tiro en el hogar._ Annaratone (1985) explica que el tiro se refiere a las corrientes que circulan por la caldera y que posibilitan la circulación tanto del aire como de gases de combustión. Estas corrientes pueden ser creadas por la acción de inyectores de aire, vapor o mediante ventiladores centrífugos que se conocen como tiro mecánico, el cual se requiere cuando deba mantenerse un determinado tiro.

De tiro natural: El tiro natural se produce por la diferencia de densidades, provocado por la temperatura en la chimenea donde hay gran cantidad de gases de combustión a una temperatura elevada. Debido a que la presión externa es mayor que la interna, se genera que, por existir diferencia de densidades y al ser la altura la misma, el aire del exterior quiera entrar produciendo el tiro natural. Este tipo de tiro en caldera es muy clásico, pero solo utilizado actualmente en casas.

De hogar presurizado: Estos generadores de vapor son llamados así porque tienen la presión positiva en la cámara de combustión. Pueden venir equipados con sólo un ventilador o, en el caso de unidades grandes, dos ventiladores de presión tanto para transportar el aire de una manera más racional, como para reducir la potencia de cada ventilador. De este modo, se puede operar los ventiladores al 50 o 60% de la potencia máxima, obteniendo un respaldo en caso de fallo de un ventilador.

De hogar equilibrado o en depresión: Cuando el hogar de la caldera forma gases de combustión en un tiempo menor es necesario utilizar ventiladores que induzcan los gases a la chimenea. Esto es lo que se conoce como sistema de tiro inducido, el cual se consigue con un ventilador de chorro o con un ventilador centrifugo colocado entre la chimenea y la caldera. El tiro inducido reduce la presión de los gases de combustión por debajo de la presión atmosférica y descarga los mismos a la chimenea con una presión positiva.

Tipos de Hervidores:

El elemento más crítico del diseño de un hervidor es la selección del tipo adecuado de hervidor para un servicio específico. La mayoría de los hervidores son del tipo intercambiador de calor de carcasa y tubos y normalmente se utiliza vapor como fuente de calor en dichos hervidores. Sin embargo, se pueden usar otros fluidos de transferencia de calor como aceite caliente o Dowtherm (TM).

Rehervidores tipo hervidor: son muy sencillos y fiables. Pueden requerir bombear el líquido del fondo de la columna al hervidor, o puede haber suficiente altura del liquido para llevar el líquido al hervidor. En este tipo, el vapor fluye a través del haz de tubos y sale como condensado.

Rehervidores de termosifón: estos no requieren bombear el líquido del fondo de la columna al hervidor. La circulación natural se obtiene utilizando la diferencia de densidad entre el líquido del fondo de la columna de entrada del hervidor y la mezcla de líquido-vapor de salida del hervidor para proporcionar suficiente altura de líquido para llevar los fondos de la torre al hervidor.

Rehervidores de circulación forzada: Un hervidor de circulación forzada utiliza una bomba para hacer circular el líquido del fondo de la columna a través de los hervidores. Esto es útil si el calderín debe ubicarse lejos de la columna o si el producto del fondo es extremadamente viscoso.

Aplicación de vaporización (calderas, calderin y hervidores) en la industria:

Las principales aplicaciones de las calderas de vapor se encuentran en el sector agropecuario y la industria agroalimentaria, el sector textil, el sector químico, la industria del papel y el caucho; el sector de la arcilla, el vidrio y el hormigón; y el sector servicios.

De forma específica, las calderas de vapor se usan para el procesamiento de carne y la fabricación de salchichas; el acabado o revestimiento de hilados textiles, tejidos o artículos textiles confeccionados; la producción de productos de química orgánica; la producción de celulosa y papel; la producción de cristal o la producción de calor en hoteles o lavanderías, entre otros muchos usos. (ATTSU, 2020)

Conclusión.

Los vaporizadores son equipos de transferencia de calor que están destinados para convertir un líquido en vapor, y a esto se le puede dar gran variedad de aplicaciones como la producción de energía eléctrica o en calentamiento de procesos industriales.

De entre estos vaporizadores podemos reconocer a los servidores calderones y calderas, los cuales se pueden encontrar en diferentes formas y tamaños para los diferentes requerimientos qué pueden necesitar una empresa industrial.

Se puede concluir que de entre todos estos equipos de transferencia de calor que podemos encontrar en el sector industrial, son importantes ya que se pueden realizar aplicaciones o técnicas como vacío de materiales.