En esta caldera el humo y los gases calientes circulan por el interior de los tubos y el agua se encuentra en el exterior; éstas se fabrican en capacidades hasta de
800 caballos caldera como máximo y para presiones no mayores de 21 kg/ cm2.
Las ventajas de estas calderas es que tienen muy grande la cámara de vapor, son compactas, fáciles de transportar, ocupan poco espacio y su instalación es sencilla. Los componentes básicos de una caldera de tubos de humo (véase la
figura 4.18.) son los siguientes.
a) Cuerpo o envolvente. Es el cilindro metálico que tiene como función almacenar toda el agua que va a elevar su temperatura, y debe resistir la presión a la que va ha estar sujeto. La ASME (American Society of Mechanical Engineering) recomiendan utilizar placa de acero en su construcción, que resista un esfuerzo mínimo de 1230 kg/cm2.
b) Hogar. Es el sitio donde se efectúa la combustión; en las calderas modernas, el hogar es un tubo de menor diámetro que el envolvente, y va en el interior de éste.
c) Espejos. Son las tapas que lleva el cilindro llamado envolvente en cada uno de sus extremos y lleva perforaciones donde van colocados los fluxes y el hogar.
d) Fluxes o tubos de humo. Son las tuberías que conducen los gases calientes
a través de la caldera, cediendo el calor al agua, para que ésta eleve su temperatura. En las calderas de tubos de humo, la presión del agua actúa por la parte externa de los mismos, tendiendo a aplastarlos (Figura 4.1 9.)
Figura 4.19. Flujo de agua y gases en una caldera de tubos de humo
e) Tirantes. Son barras metálicas que se soldan en forma inclinada sujetando
el "espejo" con el envolvente y su función es reforzar al espejo en la parte superior o sea en la cámara de vapor, en donde la ausencia de fluxes hace que esa parte del espejo sea más débil y predispuesta a abombarse a causa de la presión interior.
f) Superficie de liberación de vapor. Es aquella que toma el nivel de agua que
está en contacto directo con el vapor.
g) Cámara de vapor. Es el espacio cerrado comprendido entre la superficie de
liberación de vapor y la parte metálica superior del cuerpo de la caldera que es donde se genera y almacena el vapor.
Mientras mayor sea la superficie de liberación de vapor, se reduce la turbulencia que se forma al tener mayor actividad molecular el agua, con lo que se reduce el arrastre del agua. La relación entre la superficie de liberación de vapor y el arrastre de agua es inversamente proporcional, esto es, a menor superficie de liberación de vapor de agua, mayor arrastre de agua y viceversa (Véase la figura 4.2O.).
Figura 4.20. Relación entre la superficie de liberación de vapor y el arrastre de agua
h) Chimenea. Es el conducto por el cual salen a la atmósfera los productos de
la combustión y el calor no aprovechado.
Por su construcción, las calderas de tubos de humo pueden ser de varios pasos.
En la figura 4.21., se muestran distintos modelos; a medida que aumenta el
número de pasos se complica más el diseño de la caldera y su operación, por la incorporación de mayor número de mamparas divisorias, mismas que requieren mantenimiento.
Al aumentar el número de pasos también se requiere mayor presión de aire del ventilador para vencer la mayor resistencia de los gases a circular por los tubos. Deben buscarse calderas que con pocos pasos permitan la mayor transmisión de calor del combustible al agua.
Figura 4.21. Calderas con diversos números de pasos
Dependiendo de la manera como opere la chimenea con o sin ventilador, tenemos varios tipos de tiro en calderas:
a) Tiro natural. Este tipo de tiro es, a la fecha, muy poco usado en las calderas debido a que es muy difícil balancear correctamente la mezcla aire- combustible para lograr combustiones eficientes; esto es, debido a que al iniciar la combustión, la falta de gases calientes restringe el tiro de aire por la chimenea. Véase la figura 4.22.
Figura 4.22. Diagrama de una caldera con quemador de tiro natural
b) Tiro inducido. Este tipo de sistema permite un mejor control de la mezcla aire-combustible y no requiere chimeneas tan altas. Su utilización no es muy generalizada debido a las altas temperaturas a que está sujeto el ventilador, especialmente las chumaceras, por lo que se requiere un mantenimiento frecuente. La figura 4.23. muestra un tiro de este tipo.
Figura 4.23. Diagrama de una caldera con quemador de tiro inducido
c) Tiro forzado: Este es el quemador más utilizado, porque además que permite
un control instantáneo de la mezcla aire-combustible, las partes metálicas del ventilador trabajan frías. Véase la figura 4.24.
Figura 4.24. Diagrama de una caldera con quemador de tiro forzado
Describiremos el funcionamiento de una caldera de tubos de humo de tres pasos
balanceados; en la figura 4.25., se muestra el corte de una caldera compacta de
este tipo.
Figura 4.25. Corte de una caldera de tubos de humo de 3 pasos balanceados
Los gases calientes son forzados a circular a través de los tres pasos por el ventilador (1), a partir del quemador de tiro forzado; el aire es controlado por un control ajustable de mariposa.
La cámara de combustión o el hogar constituye el primer paso; los gases calientes al salir de éste son desviados por la única mampara de refractario (2) para que los
gases tomen el segundo paso, cediendo más calor al agua al compensar la reducción de volumen que van teniendo los gases a causa de su enfriamiento al ir cediendo calor al agua. Luego pasan libremente al tercer paso o sea es la tercera vez que recorren la longitud total de la caldera, y de ahí salen por la chimenea (3) a una temperatura de 80oC, arriba de la temperatura del vapor o agua caliente, la cual puede comprobarse por el termómetro (4).
El concreto refractario de la tapa trasera (5) tiene un gran espesor para que haya menor pérdida de calor al ambiente. En esta tapa está incorporada una válvula de alivio (6) de gases, que se encargaría de absorber cualquier sobrepresión.
La puerta frontal tiene menor refractario (7) porque así lo requiere. Ambas puertas tienen bisagras para facilitar su mantenimiento; en esta caldera el quemador está provisto de una bisagra (8) para facilitar la limpieza de las boquillas.
Los espejos (9) son las tapas internas en donde van montados, expandidos y riveteados los fluxes (10), que son tubos rectos logrando un sello perfecto con los espejos. Estos van soldados al envolvente (11), que es el cuerpo que va ha resistir, en forma crítica, la presión interna de la caldera.