Caldera

En la actualidad, una de las mejores formas de generar energía, en el campo industrial, es teniendo una caldera, esta es una máquina que genera vapor calentando agua consumiendo calor generado por combustible no nuclear o resistencia eléctrica. La caldera se utiliza en muchos campos (industria alimentaria, saneamiento, transporte, etc.).

La historia de las primeras calderas está ligada a la Revolución Industrial de finales del siglo XIX. En aquellos años, donde los inventos se sucedían de forma encadenada y daban lugar cada día a nuevos artilugios, apareció la primera máquina de vapor ideada por el ingeniero escocés, James Watt. La popular olla a presión es heredera de aquel invento, del cual surgirían distintos tipos de calderas.

El objetivo general del presente trabajo es brindar información sobre la caldera describiendo varios puntos interesantes de esta y los objetivos específicos es describir la ciencia y los procesos que se requieren para su correcto funcionamiento, comunicar la importancia que tiene para las industrias y cómo es que siendo un producto antiguo sigue siendo utilizado, y dar a conocer las ventajas y desventajas del uso de una caldera en la industria.

Los motivos que nos llevaron a investigar sobre la caldera se centran específicamente a que nos servirán en el futuro, debido a que en la presente investigación se pretende conocer todo acerca de la caldera, así como el mantenimiento, funcionamiento, ventajas y entre otras cosas.

MARCO TEORICO

CONCEPTOS BASICOS:

VAPOR DE AGUA:

El vapor es un fluido gaseoso cuya temperatura es inferior a su temperatura crítica. Su presión no aumenta al ser comprimido, sino que se transforma parcialmente en líquido. (RAE, 2020). El vapor de agua es el estado de agregación del agua una vez que (mediante un cambio de fase) pasa del estado líquido al estado gaseoso. Para que esto suceda debe estar expuesta a una temperatura cercana al punto de ebullición. El vapor es incoloro e inodoro, aunque suele adquirir una apariencia blanca y turbia cuando se intercala con pequeñas gotas de agua en estado líquido.

Ebullición de agua:

Cuando se calienta un líquido, alcanza eventualmente una temperatura en la cual la presión del vapor es lo bastante grande que se forman burbujas dentro del cuerpo del líquido. Esta temperatura se llama punto ebullición. Una vez que el líquido comience a hervir, la temperatura permanece constante hasta que todo el líquido se ha convertido a gas. (Jaramillo, 2007).

La ebullición del agua es un proceso físico en el que el líquido pasa a estado gaseoso como consecuencia de la exposición al calor intenso y la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de hervor (100º C).

Una vez que el líquido alcanzó el punto de ebullición, sigue absorbiendo el calor para transformar el líquido en vapor, pero sin aumentar su temperatura. Se transformará en vapor hasta que se consuma la totalidad de la masa líquida. La temperatura de ebullición depende de la presión a la que esté sometida la sustancia.

Usos del vapor de agua:

 Para esterilizar elementos.

 Para el funcionamiento de motores.

 Para atomizar.

 Para limpiar.

 Para humidificar.

Importancia del vapor de agua:

El vapor está presente en la atmósfera en cantidades variables y resulta un componente vital del ciclo hidrológico. Es el más potente de todos los gases por su estructura química, esto significa que, cuanto más cálido esté el planeta, más vapor de agua existirá en el aire a medida que aumente la tasa de evaporación de los océanos, lagos y demás masas de agua del mundo.

CICLO DE RANKINE:

Es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo. Es la base de diseño de máquinas de vapor de cualquier tipo.

Figura 1. Ciclo de Rankine. (Navarro, 2012)

Según Planas (2019) este ciclo es generalmente adoptado principalmente en centrales termoeléctricas para la producción de energía eléctrica y utiliza agua como fluido motor, ya sea en forma líquida o en forma de vapor o gas, con el llamado turbina de vapor. Para este uso, el agua se desmineraliza y desgasifica adecuadamente. El ciclo de Rankine puede ser:

 Ciclo de Rankine abierto, es decir, con la descarga de vapor a la atmósfera (como era el caso de las viejas locomotoras de vapor, que tenían que transportar, además del carbón, también agua).

 Ciclo de Rankine cerrado, como en el caso de las centrales termoeléctricas, incluidas las centrales de ciclo combinado. Es posible explotar el calor residual de la condensación de vapor (cogeneración), incluso transportándolo a través de una red de calefacción urbana.

Proceso:

El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condenso y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.

Diagrama T-s del ciclo:

El diagrama T-s (temperatura y entropía) de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles):

Figura 2. Los cuatro procesos en el ciclo de Rankine. (Planas, 2019)

Proceso 1–2: el fluido de trabajo se bombea de baja a alta presión. Como el fluido es un líquido en esta etapa, la bomba requiere poca energía de entrada.

Proceso 2–3: el líquido de alta presión ingresa a una caldera, donde se calienta

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