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: las calderas gas. 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, las calderas gas las calderas gas fue ganando espacios y llegó a transformarse en un equipo indispensable para cada proceso productivo.

La de las calderas gas 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 las calderas gas pirotubulares.

Desde sus Comienzos
    
El principio de funcionamiento de las calderas gas pirotubulares consiste en el traspaso de calor desde el interior de los tubos hacia el agua de la caldera que los circunda. En las calderas gas pirotubulares 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 atraviesa antes ser liberado al ambiente.

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

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

las calderas gas Tipo Lancashire

Las calderas gas tipo Lancashire fueron desarrolladas en 1844 por Sir William Fairbairn, a partir de lo que se conocía como caldera “Cornich” de un fogón o calderas gas “Trevithick's”. Aún en estos días se puede ver algunas de estas calderas gas 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 las calderas gas cuando se calentaba y para prevenir su colapso debido a la presión externa. 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 podía ser diseñada para quemar gas, petróleo o carbón.

Los combustibles calientes pasan de la cámara de combustión a los fogones. 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.

Las calderas gas 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. 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.

En el frente de calderas gas 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 calderas gas, que formaban parte del Setting de ella. Estos 2 ductos se encuentran en el fondo de calderas gas para dar paso a la chimenea.

Estos pasos, en calderas gas 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, el que calentaba el agua de la caldera mejorando su eficiencia térmica.

Durante mucho tiempo se fabricaron calderas gas 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 gas 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 calderas 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 calderas gas, a la vez que disminuía su eficiencia.

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

calderas gas Tipo Cochran

Fue la invención de Edward Comnton la que se transformaría en la famosa calderas gas 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 gas tubulares. La caja de humo era parte decalderas gas, con la chimenea apernada a un lado.

Las calderas gas 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 calderas gas Cochran como caldera auxiliar a la caldera principal.

calderas gas Económica

Este diseño correspondió a una mejora de calderas gas 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.

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.

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

Las calderas gas económica de 2 pasos tenía la mitad del tamaño de calderas gas tipo Lancashire y disponía de una eficiencia térmica varios puntos más alta. El rango de tamaño de las calderas gas 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”

Hasta la invención y la patente de los famosos tubos Sinuflo, por Percy St. G. Kirke, las calderas gas de combustión de gas eran 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 las calderas gas Cochran alcanzaron un acuerdo con Kirke y lanzaron una línea de calderas gas 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 gas 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 calderas gas.

Las calderas gas 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 gas 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.

calderas gas 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 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 las calderas gas, 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 las calderas gas, mejorando notablemente las tasas de transferencia de calor. La caldera paquete multitubular moderna es el estado actual de este proceso evolutivo.

Estas calderas gas 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 gas de tres pasos, siendo el primero de ellos la cámara de combustión y los dos siguientes los pasos a través de los tubos.

calderas gas de Llama Reversa

Este diseño es una variación del diseño convencional de calderas gas. 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 calderas gas. 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.

Cuando James Watt observo que se podría utilizar el vapor como un fuerza económica que remplazaría la fuerza animal y manual, se empezó a desarrollar la fabricación de calderas gas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso en las distintas industrias de nuestro país.

Las primeras calderas gas tenían el inconveniente que los gases calientes estaban en contacto solamente con su base, y en consecuencia se aprovechaba mal el calor del combustible. Debido a esto las instalaciones industriales fueron perfeccionándose, colocándose el hogar en el interior de la caldera y posteriormente se le introdujeron tubos, para aumentar la superficie de calefacción. Si por el interior de los tubos circulan gases o agua, se les clasifican en calderas gas igneotubulares (tubos de Humo) y calderas gas acuotubulares (Tubos de agua) .

calderas gas Igneotubulares o Pirotubulares:

Son aquellas en que los gases y humos provenientes de la combustión pasan por tubos que se encuentran sumergidos en el agua.

Ventajas:

Menor costo inicial debido a su simplicidad de diseño.

Mayor flexibilidad de operación

Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación.

Inconvenientes:

Mayor tamaño y peso.

Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.

No son empleables para altas presiones

calderas gas Acuotubulares:

Son aquellas en que los gases y humos provenientes de la combustión rodean tubos por cuyo interior circula agua.

Ventajas:

Pueden ser puestas en marcha rápidamente.

Son pequeñas y eficientes.

Trabajan a 30 o mas atm.

Inconvenientes:

Mayor costo

Debe ser alimentadas con agua de gran pureza.