No pudo ser sino Inglaterra, corazón industrial del mundo a finales del siglo XVII y comienzos del XVIII, la cuna de uno de los inventos más portentosos del hombre en cuanto a la obtención de energía: la caldera a vapor. El invento, tal vez rudimentario al comienzo, fue logrando avances en la medida que diferentes hombres de gran ingenio incorporaron nuevas ideas para ir haciéndolas cada vez más eficientes y seguras.

Así, pues, mientras el mundo, más allá de la pujanza industrializadora de los ingleses, demandaba recursos energéticos para su desarrollo, la caldera fue ganando espacios y llegó a transformarse en un equipo indispensable para cada proceso productivo.

La de la caldera ha sido una historia larga y de constantes avances tecnológicos. Este artículo habla de los pasos más importantes a partir de la fabricación de las primeras calderas pirotubulares.

La caldera desde sus Comienzos
    
El principio de funcionamiento de la caldera pirotubular consiste en el traspaso de calor desde el interior de los tubos hacia el agua de la caldera que los circunda. En la caldera pirotubular existen numerosas combinaciones para la configuración de los tubos, determinadas por el número de “pasos” que el calor generado en el hogar o cámara de combustión de la caldera atraviesa antes ser liberado al ambiente.

Es importante tener en cuenta el dimensionamiento de la cámara de combustión de la caldera, puesto que de ello dependen las temperaturas de entrada de gases al primer paso de tubos de la caldera. El exceso de temperatura ocasionará sobrecalentamiento del metal y grietas en la placa trasera de tubos de la caldera.

Con el paso de los años se han mejorado y optimizado los diseños, disminuyendo así su tamaño y aumentando considerablemente su eficiencia de la caldera.

Caldera Tipo Lancashire

La caldera tipo Lancashire fueron desarrolladas en 1844 por Sir William Fairbairn, a partir de lo que se conocía como caldera “Cornich” de un fogón o caldera “Trevithick's”. Aún en estos días se puede ver algunas de estas caldera en pleno funcionamiento.

Su estructura está compuesta por un largo manto de acero, por lo general de 5 a 10 m. de largo, a través del cual pasan 2 tubos de gran diámetro llamados fogones. Parte de cada fogón era corrugado de manera de absorber la expansión de la caldera cuando se calentaba y para prevenir su colapso debido a la presión externa de la caldera. Se instalaba una cámara de combustión a la entrada de cada fogón en lo que corresponde al frente de la caldera. La cámara de combustión de la caldera podía ser diseñada para quemar gas, petróleo o carbón.

Los combustibles calientes pasan de la cámara de combustión a los fogones de la caldera. Estos fogones se encuentran rodeados por agua en su exterior y el calor que se genera en la cámara de combustión es transferido al agua de la caldera.

La caldera era instalada en una fundación de ladrillo llamada “setting” o montura, la que fue diseñada con el propósito de mejorar la eficiencia térmica del equipo de la caldera. Después de pasar por los fogones, los gases calientes son derivados bajo la caldera por un conducto de ladrillo, incluido en el “setting”, transfiriendo el calor al agua por la parte inferior del manto de la caldera.

En el frente de la caldera el flujo de gases calientes era dividido en dos corrientes que pasaban hacia el fondo del equipo por los costados. Esto se conseguía mediante 2 conductos en los lados de la caldera, que formaban parte del Setting de ella. Estos 2 ductos se encuentran en el fondo de la caldera para dar paso a la chimenea de la caldera.

Estos pasos, en la caldera tipo Lancashire, fueron concebidos en un intento por extraer la máxima cantidad de energía de los productos de combustión calientes, los que en diseños anteriores se liberaban a la atmósfera. Normalmente la corriente de gases pasaba por un economizador antes de entrar a la chimenea de la caldera, el que calentaba el agua de la caldera mejorando su eficiencia térmica.

Durante mucho tiempo se fabricaron caldera de distintos tamaños. No obstante, la más pequeña de ellas medía aproximadamente 5,5 m. de largo por 2 m. de diámetro. La más grande era de aproximadamente 10 m. de largo por 3 m. de diámetro. La producción de vapor variaba desde 1.500 kg/h hasta aproximadamente 6.500 kg/h. Las calderas Lancashire podían trabajar a presiones de hasta 17 Barg.

Contenían un gran volumen de agua, lo que se traducía en una gran capacidad de almacenamiento de energía, con lo que podían responder fácilmente a demandas repentinas de vapor. El gran volumen de agua contenida significaba también que el control del nivel y de la calidad del agua no era tan crítico como en las calderas modernas.

Una de las desventajas de este tipo de caldera era que después de repetidos calentamientos y enfriamientos, las expansiones y contracciones se traducían en deterioro del la mampostería (setting). Esto generaba infiltraciones de aire parásito, que desequilibraba el tiro de la caldera, a la vez que disminuía su eficiencia.

La introducción de la caldera pirotubular multitubos significó la eventual muerte de las calderas tipo Lancashire, pues éstas eran más pequeñas y más eficientes.

Caldera Tipo Cochran

Fue la invención de Edward Comnton la que se transformaría en la famosa caldera Cochran. La principal novedad fue la introducción de tubos horizontales en un manto cilíndrico vertical por medio de placas tubulares bridadas. El diseño fue exhibido por primera vez en la exposición Real de Agricultura, en Bristol, el año 1878. El hecho que la caldera fuera vertical, se traducía en un pequeño tamaño con la eficiencia de las calderas tubulares. La caja de humo era parte de la caldera, con la chimenea apernada a un lado.

La caldera Cochran rápidamente ganaron reputación gracias a su gran confiabilidad, flexibilidad y gran calidad de fabricación. De hecho, muy pocos barcos a vapor en circulación en los inicios del siglo veinte no tenían caldera Cochran como caldera auxiliar a la caldera principal.

Caldera Económica

Este diseño correspondió a una mejora de la Caldera Lancashire. Estaba constituida por un manto cilíndrico exterior, el que contaba en su interior con 2 fogones o tubos de gran diámetro donde se instalaban las cámaras de combustión de la caldera.

Los productos de combustión calientes dejaban los fogones por el fondo de la caldera entrando a una de ladrillos refractarios (fondo seco), donde los productos de combustión eran derivados hacia una gran cantidad de tubos de pequeño diámetro instalados por sobre los fogones de la caldera.

Estos tubos constituían una gran superficie de transferencia de calor. Los productos de combustión dejaban la caldera por el frente y a través de un ventilador de tiro inducido, para pasar luego a la chimenea de la caldera.

La caldera económica de 2 pasos tenía la mitad del tamaño de una caldera tipo Lancashire y disponía de una eficiencia térmica varios puntos más alta. El rango de tamaño de las calderas Económicas era de aproximadamente 3 m. de largo y 1,7 m. de diámetro hasta aproximadamente 7 m. de largo y 4 m. de diámetro. La producción de vapor iba desde 1.000 kg/h hasta aproximadamente 15.000 kg/h.

Los Tubos “Sinuflo” de la caldera

Hasta la invención y la patente de los famosos tubos Sinuflo, por Percy St. G. Kirke, la caldera de combustión de gas era muy ineficientes. Tomando su nombre de su forma sinusoidal, el tubo sinuflo lo cambió todo, permitiendo que el gas caliente transfiriera en todo el largo del tubo la mayor parte del calor hacia el agua.

En 1934 la caldera Cochran alcanzó un acuerdo con Kirke y lanzaron una línea de calderas horizontales recuperadoras  de calor. Fueron muy exitosas, ideales para generar vapor a partir de gases calientes residuales provenientes de los procesos de las industrias del gas y del acero.

La sobresaliente eficiencia térmica de los tubos Sinuflo, significó que más tarde fueran incorporados por todos los fabricantes de calderas en el mundo. La Caldera Económica de Cochran lanzada al mercado en 1940, incluía un ventilador de tiro inducido, una gran cámara de combustión y un excepcionalmente fácil acceso a su interior, marcando un hito en el diseño de caldera.

La Caldera Cochran Serie II

Para satisfacer la demanda de eficiencias más altas, equipos más compactos, automatización de la operación, requeridos durante las tareas de reconstrucción durante la post guerra en Inglaterra -tanto del Gobierno como de la industria- fue vital enfatizar los esfuerzos en las áreas de investigación y desarrollo. Como resultado de este esfuerzo, en 1959 se lanzaron al mercado las calderas verticales Cochran Serie II, diseñadas, especialmente, de acuerdo a los mencionados criterios.

Este diseño alcanzaba eficiencias térmicas de más de 80% (PCS) y una gran producción de vapor para su tamaño. Su operación podía ser completamente automática, operando tanto con combustibles líquidos como sólidos. La mayoría de ellas fue construida mediante uniones soldadas, método estándar a partir de 1960.

Caldera Paquete

El concepto de la Caldera Paquete data desde 1950, y corresponde a una caldera completa con todos sus accesorios, quemador para la combustión de petróleo o gas, bombas de agua, controles automáticos todos montados como una unidad en una base compacta para transporte, ensamblada en fábrica.

La mejora en los materiales de la caldera y en los procesos de fabricación se tradujo en que se podían instalar más tubos en cada unidad.

En los primeros años de desarrollo de la caldera, éstas eran equipos largos y requerían grandes superficies para su instalación.

Forzando los gases a cambiar de dirección para hacerlos pasar por tubos, se consiguió acortar lacaldera, mejorando notablemente las tasas de transferencia de calor. La caldera paquete multitubular moderna es el estado actual de este proceso evolutivo.

Estas calderas se clasifican de acuerdo al número de pasos; es decir, de acuerdo al número de veces que los productos de combustión calientes pasan a través de la caldera. El diseño más común corresponde a las calderas de tres pasos, siendo el primero de ellos la cámara de combustión de la caldera y los dos siguientes los pasos a través de los tubos de la caldera.

Caldera de Llama Reversa

Este diseño es una variación del diseño convencional de caldera. La cámara de combustión tiene la forma de un dedal; el quemador está instalado en su extremo abierto normalmente por debajo del centro. La llama retorna sobre sí misma dentro de la cámara de combustión para volver hacia el frente de la caldera. Los tubos de humo rodean el dedal y permiten el paso de los productos de combustión calientes a la parte trasera de la caldera y a la chimenea de la caldera.