Termodinámica de Calderas: Conceptos Clave y Zonas de Transferencia de Calor

Conceptos Clave en el Funcionamiento de Calderas

En el estudio y operación de calderas, es fundamental comprender una serie de conceptos clave que definen su rendimiento y seguridad. A continuación, se detallan los más relevantes:

• Potencia nominal: Representa la máxima energía térmica aportada por el combustible por unidad de tiempo. Se calcula dividiendo la potencia útil del generador entre el rendimiento global.
• Potencia útil instantánea: Es la energía neta, por unidad de tiempo, que la caldera entrega al fluido portador.
• Presión de diseño: Se refiere a la máxima presión de trabajo a la temperatura de diseño establecida.
• Presión de timbre: Indica la máxima presión de servicio que la caldera puede alcanzar.
• Presión de prueba: Es la presión a la que se somete la caldera durante la prueba hidrostática. Generalmente, esta presión es 1,5 veces la presión máxima de servicio.
• Presión máxima de servicio: Es la presión límite a la que se someterá el aparato una vez conectado a la instalación receptora.
• Temperatura de diseño: Es la temperatura prevista en las partes metálicas sometidas a presión, bajo las condiciones de trabajo más desfavorables.
• Temperatura de servicio: Es la temperatura que alcanzan los fluidos utilizados en los aparatos, en condiciones normales de funcionamiento.

Zonas de Transferencia de Calor en Calderas

El proceso de vaporización en una caldera se puede dividir en distintas zonas, cada una con características particulares en cuanto a la transferencia de calor y el comportamiento del fluido. Estas zonas se describen a continuación:

Zona A: Precalentamiento y Ebullición en Núcleos

En esta etapa inicial, el líquido que circula por el conducto incrementa su temperatura, acercándose a su punto de saturación. En sistemas diseñados para vaporizar el líquido, este fenómeno ocurre a poca distancia de la entrada. Se observa una ebullición en núcleos localizada en ciertos puntos, debido a la absorción de calor de las paredes por el líquido subenfriado.

Zona B: Flujo Burbujeante

Las burbujas de vapor generadas en la zona anterior son arrastradas hacia la corriente principal. Este tipo de flujo se caracteriza por una baja calidad de vapor, con burbujas individuales que se desplazan con el flujo. Cuando la calidad del vapor es inferior al 10%, el flujo es burbujeante y las burbujas comienzan a aglomerarse, formando borbotones de vapor. El coeficiente de transferencia de calor "h" aumenta con la agitación de las burbujas.

Zona C: Régimen Anular

En esta zona se establece el régimen anular, caracterizado por una fina capa de líquido sobre la pared y un núcleo central de vapor. El vapor en el centro del tubo se mueve a mayor velocidad que el líquido. La transferencia de calor se produce a través de la película líquida por conducción, y se observa evaporación en la superficie de separación líquido-vapor. Aunque todavía se forman algunas burbujas en la pared, la evaporación principal ocurre en la interfase.

Zona D-E: Transición a Flujo en Niebla

La transición al flujo en niebla o flujo de vapor ocurre para valores de calidad del vapor alrededor del 25%. Durante esta fase, el coeficiente "h" disminuye repentinamente. Este punto de transición puede causar un deterioro por fusión en casos de vaporización con convección forzada, a menos que se reduzca el flujo de calor antes de que se alcance este régimen. La transición del flujo anular al flujo en niebla implica un cambio significativo: la película líquida de alta conductividad térmica adyacente a la pared es reemplazada por vapor de baja conductividad térmica.

Zona F: Flujo de Vapor

En el flujo de niebla o vapor, la transferencia de calor se realiza desde la pared caliente hacia el vapor, y luego hacia el interior del núcleo de vapor, donde se comunica a las gotitas de líquido. La vaporización ocurre en el interior del conducto y no en la pared. La temperatura del vapor puede ser mayor que la temperatura de saturación, y puede no existir equilibrio térmico dentro del conducto. El vapor fluye hasta que la calidad alcanza el 100%. En la vaporización en flujo, se suman los efectos de la convección (natural o forzada) y la ebullición.

La relación entre el calor transferido y el área se puede expresar como:

Q/A = Q/A (convección) + Q/A (ebullición)

donde:

Q/A (Convección) = h·(T_s - T_b)

Siendo:

• Q/A: Flujo de calor por unidad de área
• h: Coeficiente de transferencia de calor
• T_s: Temperatura de la superficie
• T_b: Temperatura del fluido