CONDUCCIÓN – CONVECCIÓN – RADIACIÓN.

CONDUCCIÓN: Es la transferencia de calor de una parte del material a otra o a un material con el que esta en contacto. El calor se extiende como una actividad molecular, como la vibración de las moléculas de un material. Cuando se calienta esta parte, la vibración molecular aumenta. En las calderas tiene lugar una considerable conductividad superficial. Ejemplo: el agua de un tubo o entre un Gas de un tubo. La conductividad es a través del metal de un tubo, chapa u hogar (hornos).Mientras la conductancia superficial, juega una parte vital en el rendimiento de la caldera, también puede conducir a fallos  roturas metálicas cuando la superficie de calefacción se recalienten. Como también puede ocurrir cuando las superficies están aisladas por las incrustaciones. La conductancia o conductividad superficial, cuando se expresa en BTU (Kcal.)Kilo-calorías por pie cuadrado (0 m²) de Superficie calefactora para una diferencia de 1 º F (0 1 ºC) de temperatura del fluido, se la conoce como coeficiente superficial o perpendicular.

CONVECCIÓN: Es la transferencia de calor o desde un fluido (líquido o Gas) fluyendo hacia o sobre la superficie de un cuerpo. Se define como libre o forzada. La convección libre ;es la que produce circulación del fluido de transferencia debido a una diferencia de densidad resultante de los cambios de temperatura. La convección forzada; tiene lugar cuando la circulación del fluido es positiva por algún medio mecánico significativo, como una bomba de agua o un ventilador para los gases. La transferencia de calor de calor por convección, esta pues ayudada mecánicamente, añadiendo la Superficie calefactora puede aumentar la absorción de calor.

RADIACIÓN: Es una forma continua de intercambio de energía por medio de ondas electromagnéticas sin cambio en la temperatura del medio interpuesto los dos cuerpos. La radiación está presente en todas las calderas. De hecho, las calderas utilizan los tres modos de transferencia térmica: CONDUCCIÓN, CONVECCIÓN Y RADIACIÓN. 

 DEFINICIONES DE CALDERA:

 Las siguientes definiciones de caldera generalmente se encuentran en forma de leyes estatales y códigos de caldera referentes a requisitos de instalación o inspección, así como leyes de ingeniería para operar este tipo de equipos.

Una caldera es un recipiente a presión cerrado en el que se calienta un fluido para uso externo del mismo por aplicación directa del calor resultante de la combus­tión de un combustible (sólido, líquido o gaseoso) o por utilización de la energía nuclear o eléctrica.

Una caldera de alta presiónes aquella que genera vapor a una presión mayor de 15 psi (1,05 kg/cm²) manométricos (1,05 atmósferas efectivas o manométricas). Por debajo de esta presión se clasifican como calderas de vapor de baja presión. Las pequeñas calderas de alta presión se denominan calderas miniatura según la norma­tiva de Estados Unidos.

De acuerdo a la sección 1 del código de calderas y recipientes a presión de  ASME: (American Society of Mechanical Engineering - Sociedad Americana de Ingeniería Mecánica) una caldera miniatura de alta presión es una caldera de alta presión que no excede de los límites siguientes: 16" (406,4 mm) de diámetro interior de virola (o chapa envolvente cilíndrica); cinco pies cúbicos (0,1415 m³) de volumen bruto de virola y aislamiento; y 100 psi (7 kg/cm² efectivos o manométricos) de presión. Si exceden estos límites, se trata de una caldera de potencia. La mayoría de los estados en Estados Unidos siguen esta definición. Los requisitos de la soldadura para estas calderas pequeñas no son tan severos como para las grandes.

Una caldera de potencia: es una caldera de vapor de agua o de fluido que trabaja por encima de 15 psi (1,05 kg/cm²) y excede el tamaño de una caldera miniatura. Esto también incluye el calentamiento de agua caliente o calderas de agua caliente que funcionan por encima de 160 psi (11,2 kg/cm²) o 250 °F (121,1 °C). Las calde­ras de potencia también se llaman calderas de alta presión.

Una caldera de suministro de agua caliente o, más brevemente dicho, una caldera de agua caliente, está completamente llena de agua y suministra agua caliente para usarse en el exterior de ella (sin retorno) a una presión que no excede de 160 psi (11,2 kg/ cm²) efectivos o a una temperatura de agua que no pase de 250 °F (121 °C). Estos tipos de caldera se consideran también calderas de baja presión, construidas según los requisitos de la Sección IV (calderas de calefacción) del códi­go ASME. Si se sobrepasan la presión o temperatura, estas calderas deben diseñarse como calderas de alta presión.

  Una caldera de calor perdido utiliza subproductos térmicos como gases de hor­nos de laminación o siderurgia, gases de escape de una turbina de gas o subproduc­tos de un proceso de fabricación. El calor residual se pasa por unas superficies de intercambio térmico para producir vapor o agua caliente para uso convencional. Las mismas normas básicas del código ASME de construcción se aplican a todas calderas de recuperación de calores perdidos al igual que se aplican a las calderas calentadas por combustibles convencionales, y los equipos auxiliares y de seguridad normalmen­te requeridos en una caldera se precisan también para una unidad de calores perdidos.

Los ingenieros prefieren utilizar el término generador de vapor en vez de; caldera de vapor, porque el término caldera se refiere al cambio físico del fluido contenido, mientras que generador de vapor cubre la totalidad del aparato en el que el cambio físico está teniendo lugar. Pero en su utilización normal, ambos términos son básica­mente lo mismo. La mayoría de las leyes estatales están aun escritas bajo la vieja nomenclatura básica de calderas.

Una caldera compacta es una caldera completamente montada en fábrica, de tubos de agua, de tubos de humos o de fundición, e incluye quemador, controles y elementos de seguridad. Una caldera montada en fábrica es más barata que una unidad montada en campo, de la misma capacidad de producción de vapor. Mientras que una caldera montada en fábrica no es una caldera fuera de serie, generalmente puede montarse y entregarse mucho más rápidamente que una caldera montada en campo, los tiempos de instalación y puesta en marcha son sustancialmente más cor­tos. Los trabajos realizados en fábrica normalmente pueden ser mejor supervisados y realizados a costo más bajo.

Una caldera supercrítica o hipercrítica funciona por encima de la presión crítica absoluta de 3206,2 psi (224,43 kg/ cm²) y 705,4°F  (374 °C) de temperatura de satu­ración. El vapor y el agua tienen una presión crítica de 224.43 kg/ cm². A esta pre­sión el vapor y el agua tienen la misma densidad, lo que significa que el vapor está comprimido tan intensamente como el agua. Cuando esta mezcla se calienta por encima de la temperatura de saturación correspondiente (de 705,4°F (374°C))  para esta presión, se produce vapor seco sobrecalentado capaz de realizar trabajo útil por su presión elevada. Este vapor seco está especialmente indicado para mover turbogeneradores.

  Las calderas de presión supercríticas son de dos tipos: de paso directo y de recir­culación. Ambos tipos operan en el rango por encima de los 224,43 kg/cm² y 374°C. En este rango las propiedades del líquido y del vapor saturado son idénticas; no hay cambio en la fase líquido-vapor por lo que no existe nivel del agua y, por lo tanto, no se precisa calderín.

Las calderas se clasifican también por la naturaleza de los servicios prestados. Las clasificaciones tradicionales son: estacionaria, portátiles, de locomotora y marinas, definidas como sigue. Una caldera estacionaria es la instalada permanentemen­te en una posición fijada en un lugar. Una caldera portátil está montada sobre un camión, barco, pequeño bote de río u otro aparato móvil. Una caldera de locomotora es una caldera diseñada especialmente para vehículos de tracción autopropulsados sobre ríeles (también se usa para servicio estacionario). Una caldera marina es nor­malmente una caldera de tipo especial de cabezal bajo destinada para barcos de carga y pasajeros con una capacidad de vaporización inherente rápida.

1.      Calderas verticales de fundición de secciones colocadas o montadas verticalmente una encima de otra, similar a los pancakes con accesorios de cone­xión que unen las secciones.

2.      Calderas horizontales de fundición por secciones conectadas o ensambladas horizontalmente de modo que las secciones se mantienen juntas como rebanadas en una hogaza de pan (son las calderas de calefacción más conocidas y utilizadas en España).

3.      Pequeñas calderas de fundición también construidas en una pieza o molde simple de pieza única. Éstas son generalmente pequeñas calderas usadas principalmente en el pasado para servicios de agua caliente.

1.      En las calderas de tubos de fuego o tubos de humos, los productos de la combustión pasan a través del interior de los tubos con el agua rodeándolos por el exterior. Las calderas de tubos de humos se describen con detalle a posterior.

2.      En las calderas de tubos de agua, el agua pasa o circula por el interior de los tubos y los productos de la combustión rodean a los tubos por su parte exterior.

Las calderas de tubos de humos generalmente son utilizadas para capacidades hasta 22.000  kg. Por hora y presión de 21 kg/cm². Por encima de esta capacidad y presión, se usan las calderas de tubos de agua. Las calderas de tubos de humos o pirotubulares se clasifican como calderas de virolas de chapa o cilíndricas. El agua y el vapor están recluidos en la virola o cilindro de chapa. Esta disposición limita el volumen de vapor que puede generase sin hacer las virolas demasiado grandes y, con respecto a la presión, el espesor de chapa requerido sería demasiado grande como para fabricarlas en altas presiones.

Terminología de la capacidad o producción de calderas. La capacidad o la poten­cia de caldera puede expresarse en HP (caballos), kg/h.,(o libras/h), kilocalorías/h (BTU/h) y, para calderas de centrales, la capacidad de generación tan grande puede darse en megavatios de electricidad. Las calderas de calefacción pue­den tasarse en HP, libras/hora (kg/h) y BTU/h.,(kcal/h), pero sus capacida­des son también descritas en términos relacionados con la superficie de transferencia térmica necesaria para un espacio. Por ejemplo, metros cuadrados equivalentes (o pies cuadrados) de superficie radiante de vapor es una medida del área de transferencia térmica necesaria en un edificio que utiliza vapor como fuente de calor.

Un caballo de caldera (HP de caldera) se define como la evaporación en térmi­nos de vapor saturado seco de 34,5 libras/h., de agua (15,65 kg/h) a temperatura de 100 °C (212 °F). Así pues, un HP de caldera, por este método, es equivalente a una capacidad de 33,47 BTU/h  (8.435,7 kcal/h) y se toma normalmente como una superficie de calefacción de caldera de diez pies cuadrados (0,92 m²). Pero diez pies cuadrados de superficie calefactora en una caldera moderna genera en cualquier caso de 50 a 500 libras/h de vapor (22,7 kg/h a 227 kg/h). Hoy en día la capacidad de producción de las calderas grandes está establecida en tantos kg/h de vapor o BTU/h (kcal/h) o megavatios de potencia producida.

El término superficie de calefacción se usa también para definir o cifrar la capa­cidad de una caldera. La superficie de calefacción de una caldera es el área, expresada en metros cuadrados (o pies cuadrados) que está expuesta a los productos de la combustión. Se deben considerar las siguientes partes en la superficie de caldera para determinar la cantidad de superficie de calefacción disponible para la produc­ción de vapor o agua caliente: tubos, cajas de humos, superficies de virola (hogar), chapas de encastramiento de tubos, colectores principales de caldera y otras.

Puede hacerse una comparación de capacidades de producción basada en HP, superficie de calefacción y producción en kg/h, suponiendo que una caldera tiene una capacidad nominal de 500 HP: