Introducción

Las calderas de vapor son unos aparatos en los que se hace hervir agua para producir
vapor. El calor necesario para caldear y vaporizar el agua pude ser suministrado por un hogar,
por gases calientes recuperados a la salida de otro aparato industrial (horno, por ejemplo), por
el fluido refrigerador de una pila atómica, por irradiación solar o por una corriente eléctrica.
Cuando el calor es suministrado por un líquido caliente o por vapor que se condensa, se
suelen emplear otras denominaciones, tales como vaporizador y transformador de vapor. El
sinónimo generador de vapor se emplea de preferencia cuando se habla de calderas de una
cierta importancia.

La forma de las calderas de vapor ha evolucionado considerablemente y, sobre todo, se

ha diversificado, incluso si nos limitamos a considerar las calderas calentadas por hogares.
Las primeras calderas consistían esencialmente en recipientes cerrados, cuya parte inferior,
llena de agua, estaba sometida a la irradiación de un hogar o al contacto de gases calientes.
Para obtener, además, grandes superficies de contacto, se construyeron más adelante calderas
con hervidores, situados debajo del cuerpo cilíndrico principal y conectado a éste mediante
conductos tubulares.

Las calderas, en sus vertientes de vapor y agua caliente, están ampliamente extendidas
tanto para uso industrial como no industrial, encontrándose en cometidos tales como,
generación de electricidad, procesos químicos, calefacción, agua caliente sanitaria, etc.

La Caldera
Es una máquina o dispositivo de ingeniería
diseñado para generar vapor. Este vapor se
genera a través de una transferencia de
calora presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta
y cambia su fase.
Según la ITC-MIE-AP01, caldera es todo aparato de presión donde el calorprocedente de
cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de
transporte en fase líquida o vapor.

Tipos de caldera

 Acuotubulares: son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza por
tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya
que permiten altas presiones a su salida y tienen gran capacidad de generación.

 Pirotubulares: en este tipo, el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente

atravesado por tubos, por los cuales circulan gases a alta temperatura, producto de un
proceso de combustión. El agua se evapora al contacto con los tubos calientes productos a
la circulación de los gases de escape.

Caldera de Vapor
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de
un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria.
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para
limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor
para intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho
tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse ésta dejaba de
producir trabajo útil. Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de
vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial
inglés muy conocido.
La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada
posteriormente por James Watt en 1776.
Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de cilindros
verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y
continua en el nuestro.
Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años
como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre
sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso
por Kw. de potencia, necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad
para usar vapor a alta temperatura.
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas
en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. Vemos una caldera multi-
humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo,
es decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor
al agua que rodea a esos tubos.
Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la
potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-pie / minuto o sea 550
libras-pie/seg., valor que denominó HORSE POWER, potencia de un caballo.
Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 kgm/seg.
Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75
más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a Watt.

Proceso de Vaporización
El vapor o el agua caliente se producen mediante la transferencia de calor del proceso de
combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando, de esta manera, su presión y
su temperatura.
Debido a estas altas presiones y temperaturas se desprende que el recipiente contenedor o
recipiente de presión debe diseñarse de forma tal que se logren los limites de diseño deseado,
con un factor de seguridad razonable.
Por lo general, en las calderas pequeñas empleadas para la calefacción domestica, la presión
máxima de operación es de 104000 N/m2. En el caso del agua caliente, esta es igual a 232oC
(450oF).
Las calderas grandes se diseñan para diferentes presiones y temperaturas, con base en la
aplicación dentro del ciclo del calor para la cual se diseña la unidad.

Importancia de La Elección de un Buen Combustible en las Calderas

o Los combustibles están caracterizados por un poder calorífico (cantidad de kilocalorías /
kilo que suministran al quemarse), un grado de humedad y unos porcentajes de materias
volátiles y de cenizas.
o Esto datos son de gran utilidad para determinar las condiciones prácticas de la
combustión, pero no son suficientes para estudiar el mecanismo de las diferentes
combinaciones químicas.
o El análisis químico es quien permite distinguir los diferentes elementos (puros) que
constituyen el combustible. Estos elementos se pueden clasificar en dos grandes
categorías:
o Elementos activos, es decir: combinables químicamente con el comburente,
cediendo calor. Son el carbono, hidrógeno, azufre, etcétera.
o Elementos inertes, que no se combinan con el comburente y que pasarán como
tales a los residuos de la combustión. Son el agua, nitrógeno, cenizas, etc.
El objeto de la combustión, refiriéndonos a los hogares, es el de proporcionar una producción
de calor uniforme y regulada para ser transmitida a un medio que la absorba. Una de las
cuestiones más importantes es la de suministrar una cantidad exacta de oxígeno por unidad de
peso del combustible para que se realice la combustión completa.
Además de la exactitud correcta de la mezcla “aire-combustible”, se debe dar el tiempo
necesario para que la mezcla sea intima para que el combustible arda completamente;
la temperatura del hogar debe ser tal que mantenga la combustión. La mejor manera de
estudiar la combustión en un hogar consiste en relacionarla directamente con el análisis del
combustible usado, para el cálculo de la cantidad necesaria de aire y de 103 productos
gaseosos formados.

Calderas con el hogar en depresión:  

Este tipo de calderas funcionan por la depresión que se crea al instalar un ventilador que
aspira los humos para forzar el tiro de la chimenea, evitando de este modo que los humos
puedan entrar al local donde está instalada la caldera.  

La presión en el hogar es inferior a la atmosférica.  

Calderas con el hogar en sobrepresión:  

La presión en el hogar es superior a la atmosférica. Los gases son empujados al interior del
hogar por medio de un ventilador, que los obliga a circular más rápido que en los otros tipos
de calderas.

El Domo
En este espacio o cámara, el vapor debe separarse de
las partículas de agua que lleva en suspensión. Por esta
razón, algunas calderas tienen un pequeño cilindro en
la parte superior de esta cámara, llamada “domo”, y
que contribuye a mejorar la calidad del vapor (hacerlo
más seco).

La función básica del domo es la de separar el vapor de

la mezcla vapor-agua y mantener el vapor seco. En las
unidades que no tienen economizador, es en el domo
donde se dispone el agua previamente tratada y desde
ahí se distribuye por todos los tubos del circuito bien
sea por medio de flujo natural o por flujo forzado. En
las unidades con economizador, el agua es precalentada
en el economizador antes de ser llevado al domo. Aquellas unidades denominadas “de un solo
paso” carecen de domo. Hogar: Un hogar es una cámara donde se efectúa la combustión. La
cámara confina los productos de la combustión y debe resistir las altas temperaturas que se
presentan y las presiones que se utilizan. Sus dimensiones y geometría se adaptan a la
velocidad de liberación de calor, al tipo de combustible y al método de combustión, de tal
manera que se haga lo posible por tener una combustión completa y se proporcione un medio
apropiado para eliminar las cenizas. 

Hogar o Cámara de combustión.

La cámara de combustión es el lugar donde se
realiza la combustión del combustible con el
comburente, generalmente aire, en el motor de
combustion interna. La cámara de combustión es
fundamental en el funcionamiento del motor.

El inyector introduce en ella el combustible

pulverizado, el cual se mezcla con el aire; de ahí
que la forma de la cámara de combustión deba
facilitar esta mezcla del combustible con el aire. Tanto la mezcla como la combustión deben
realizarse en un tiempo mínimo lo más cerca posible al punto muerto superior.

Sus aplicaciones principales:

o motores de combustión interna alternativos.

o motor Wankel.
o turbinas de gas, por ejemplo Motor de reacción.
o motor cohete.

Tipos de cámara de combustión

Cámara de combustión hemisférica

Son tal vez las mejores cámaras, se logra un llenado del cilindro más eficiente que con los
demás tipos de cámaras ya que posibilita utilizar válvulas de gran tamaño, y se logra un
menor recorrido de la llama de la mezcla para llegar desde la chispa de la bujía a la cabeza
del pistóngracias a la simetría de su forma.

Posee suficiente espacio para que los orificios de admisión y de escape sean de gran tamaño,
que sirve para que el motor tenga un máximo de entrada y salida de gases en cada cilindro, lo
cual produce gran potencia cuando el motor esta muy revolucionado. La bujía colocada en el
centro, inflama toda la mezcla de combustible en el menor el tiempo posible.
Cámara de tina

Tiene la forma de una tina invertida con las válvulas en la parte inferior de la misma. Ya que
las válvulas se pueden colocar en una sola hilera, el mecanismo que las hace funcionar es muy
encillo.

La forma alargada y ovalada de la tina controla la turbulencia excesiva, y las paredes lisas por
donde sube el pistón hasta el tope, hacen que se produzcan los chorros necesarios para que la
mezcla forme turbulencias o remolinos.Los cilindros de gran diámetro y cortas cerreras del
pistón hacen posible el uso de las válvulas grandes, para lograr elpaso adecuado de los gases.

Cámara en forma de cuña

Tienen la particularidad de presentar las bujías lateralmente y válvulas en la culata. Entre sus
ventajas encontramos una menor turbulencia de la mezcla, un menor picado de las bielas.

Es más bien reducida, el corto es una variante de cualquiera de los recorridos de la llama. La
zona de la bujía al punto más distante de la expulsión que es la superficie plana de la cámara,
reduce la propensión a la cabeza, la cual casi toca la cabeza del autoencendido (pre–ignición)
o pistón.

Cuando este sube en el tiempo de detonación. La explosión produce de compresión, expulsa

los gases remolinos turbulentos cuando el quemado a chorros y en forma de pistón expulsa la
mezcla de remolino hacia la cámara de zona mas estrecha. La turbulencia de combustión.

El movimiento hace que mantenga bien mezclado el aire y el combustible se mezclen

combustible de principio a fin, para totalmente logrando una vaporización que exista
combustión uniforme. y una combustión mas completa.

La expulsión también enfría la mezcla se enfría al rozar las paredes que se encuentra en las de
la cámara, que están menos esquinas y reduce los puntos calientes gracias a los conductos de
calientes que causen enfriamiento.

Cámara situada en la cabeza del pistón

La cámara de combustión situada en la cabeza del pistón, la poseen los motores diesel y
algunos motores de gasolina para automóviles europeos. Desaparece la ventaja de fabricar
pistones con cabeza plana y eleva el costo de fabricación de este tipo de pistones y aumenta el
peso de estos.

Clasificación de las Cámaras

Según el tipo de cámara de combustión los motores Diesel pueden clasificarse como:
Con Cámara De Inyección Directa:

El combustible se inyecta directamente en el cilindro. La culata cierra el cilindro con una

superficie plana, mientras que el inyector esta situado en el centro.

El inconveniente principal de este tipo de motor radica en que el aire esta poco agitado, siendo
el inyector el responsable exclusivo de la mezcla, por lo que su fabricación ha de ser muy
perfecta, y por lo tanto costosa. En estas condiciones, y para aprovechar al máximo la
combustión, es conveniente que la cámara adopte la forma del chorro de combustible, o a la
inversa.

Con Cámara De Combustión Con Deposito De Aire:

Este tipo de cámaras se llaman también de acumulación. El deposito de aire esta constituido
por una pieza postiza situada en el embolo, la cual comunica con la cámara de combustión a
través de un orificio. Durante la compresión el aire se introduce en el depósito.

Antes de alcanzarse el punto muerto superior comienza la inyección. Al pasar del punto
muerto superior el movimiento del embolo se invierte, aumenta el volumen de la cámara de
combustión y disminuye la presión que había en ella.

El aire sale a través del orificio alimentando la llama en la zona del embudo y originando la
combustión completa del combustible inyectado.

Tipos De Combustibles
En función del combustible, se distinguen dos tipos de calderas pirotubulares:

 Calderas pirotubulares de carbón. Las calderas diseñadas para quemar carbón

tienen un hogar amplio donde, por lo tanto, se originan pérdidas importantes de calor
por convección y radiación, siendo imprescindible un buen aislamiento en el hogar.
Estas calderas se pueden utilizar también para la combustión de otros combustibles
sólidos.
 Calderas pirotubulares para combustibles líquidos o gaseosos'. Se diferencian,
básicamente, de la anteriores en el tamaño y/o la situación del hogar. A su vez
pueden ser de dos tipos:
 De hogar integral: El combustible quemado es líquido o gas, por lo
que se obtiene una llama alargada por la parte baja del hogar, que es mucho
más pequeño que en las calderas de carbón.
  Compacta con tubo hogar: En estas calderas existe un tubo central
sumergido en el agua, el cual hace de hogar. Los gases de combustión
ceden calor a este tubo por radiación. Posteriormente son obligados a pasar
por el resto de los tubos menores que también están sumergidos en agua.

Conclusión.

En el trabajo realizado se conoció que una caldera de vapor es una maquinaria tanto
para realizar un trabajo útil como para la implementación en el hogar como calefacción
conocimos algunas de sus características y sus tipos.

Las calderas han existidos desde hace mucho y a facilitado el trabajo del hombre, hoy
en día todavía están en funcionamiento en muchas partes aunque con sus desventajas por muy
lentas y ocupan mucho espacio.