La caldera en planta es la pieza fundamental de una planta de energía térmica. En este artículo, exploraremos el funcionamiento y la construcción de una caldera típica en una planta de energía, desmitificando una concepción errónea común asociada con su operación. La caldera tiene la tarea de transformar la energía contenida en el carbón en vapor de alta temperatura.
Las plantas de energía de gran envergadura suelen emplear un tipo específico de caldera conocido como caldera de tubos de agua, donde el agua circula a través de los tubos mientras el fuego la rodea. Estas calderas son ideales para operaciones de alta presión. Por otro lado, las calderas de tubos de fuego se reservan para aplicaciones a menor escala.
Los quemadores presentes en la caldera convierten la energía química del carbón pulverizado en energía térmica. El gas caliente resultante recorre toda la caldera. El primer componente de absorción de calor en la caldera es un economizador. En esta etapa, el agua suministrada por la bomba de agua de alimentación, que se encuentra a alta presión, entra en juego.
El economizador absorbe la energía del gas de escape, aumentando así la temperatura del líquido. Posteriormente, el agua fluye hacia un tambor de vapor, atraviesa un tubo descendente y pasa por una sección estrecha de tubo denominada pared de agua, donde se produce un cambio de fase. El vapor resultante, acompañado de algunas gotas de agua, regresa al tambor de vapor. La función principal del tambor de vapor es separar las gotas de agua del vapor, garantizando que el vapor que sale de este punto esté saturado y sea puro.
En el ámbito de la termodinámica, es importante considerar que, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, a mayor temperatura de la fuente de calor, mayor eficiencia tendrá el ciclo. Por ende, elevar la temperatura del vapor conlleva a una planta de energía de alto rendimiento, aunque esta elevación de temperatura se ve limitada por ciertos factores.
Las palas de la turbina de vapor, por ejemplo, no pueden soportar temperaturas superiores a 600 grados Celsius. Por este motivo, se añade un intercambiador de calor adicional después del tambor de vapor para sobrecalentar el vapor hasta el límite máximo permitido. Este proceso de sobrecalentamiento también reduce la humedad presente en el vapor.
Posteriormente, el vapor se dirige hacia la entrada de la turbina. Tras la primera etapa de la turbina, la temperatura disminuye. Una estrategia inteligente para potenciar la eficiencia de la planta de energía es derivar completamente el vapor tras la primera etapa y añadir más calor, un proceso conocido como recalentamiento. Para ello, se emplea un intercambiador de calor denominado recalentador. Tanto el recalentamiento como el sobrecalentamiento contribuyen a incrementar la capacidad y la eficiencia de la planta de energía.
Abordemos ahora una falacia relevante acerca de las calderas. Si bien es cierto que la temperatura aumenta a lo largo de la caldera, ¿qué sucede con la presión? Imaginemos una gota de agua: si está contenida, al convertirse en vapor, la presión aumentará de manera evidente.
No obstante, si la misma gota no está contenida, la presión no variará al convertirse en vapor, ya que el fluido no posee un volumen fijo y puede expandirse libremente. El agua dentro de la caldera se asemeja a la gota sin contención, siendo un sistema abierto y en constante flujo. Así, al convertirse en vapor, el agua puede expandirse libremente, lo que implica que la presión debería mantenerse constante en una caldera ideal. En la práctica, debido a la fricción y otras irregularidades, se produce una ligera caída de presión en la caldera.
