Los fundamentos de los sistemas de calderas

Chicago es una de las ciudades más grandes de los EE. UU. Y el clima cambia mucho durante el año. Las temperaturas de verano pueden exceder los 90 ° F, y se han reportado temperaturas invernales por debajo de -20 ° F durante los vórtices polares. Enero suele ser el mes más frío de la ciudad.

Con el aumento de la construcción y el clima variable en Chicago, es imperativo tener energía eléctrica y calefacción confiables. Los edificios grandes normalmente utilizan plantas de calderas para sus necesidades de calefacción de espacios:

  • Una caldera se puede describir como un recipiente cerrado donde se calienta un fluido, y este diseño básico tiene aplicaciones como calefacción de edificios, calefacción de procesos y generación de energía.
  • Las calderas también se utilizaron para impulsar locomotoras de vapor antes de que se desarrollaran los trenes eléctricos y diésel.

Las calderas pueden obtener su calor de combustibles como el carbón, gas natural o aceite de calefacción. También existen calderas eléctricas, pero no son viables en la mayoría de aplicaciones debido a sus altos costos operativos. Las calderas también se utilizan para impulsar turbinas en plantas de energía nuclear, obteniendo calor de una reacción de fisión.


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Componentes principales de una caldera

Los fundamentos de los sistemas de calderas

Las calderas se utilizan como fuentes de calor en sistemas HVAC hidrónicos. Existen diferentes tipos de diseños de calderas, pero generalmente tienen cuatro componentes principales:

  • Quemador: Este componente inicia la combustión, controlada por los comandos electrónicos de un termostato. Las boquillas de los quemadores rocían y encienden el combustible, calentando el agua dentro de la caldera.
  • Cámara de combustión: El combustible se quema dentro de la cámara de combustión, que comúnmente está hecha de hierro fundido. De acuerdo con el Código de recipientes a presión y calderas de ASME, la temperatura de una caldera de calefacción comercial puede alcanzar hasta 250 ° F.
  • Intercambiador de calor: Este componente proporciona calor desde la cámara de combustión al agua sin contacto directo, similar a una olla hirviendo. Luego, el agua caliente presurizada se bombea a radiadores o fan coils para calentar el espacio.
  • Sistema de plomería: El agua del host se distribuye a través de una red de tuberías aisladas, y el diseño y el material pueden cambiar según el tipo de caldera.

La calefacción puede representar del 25 al 30% de los costos totales de energía para un edificio comercial en Chicago, pero una caldera de alta eficiencia puede reducirlo entre un 10 y un 30%. Por otro lado, el tipo incorrecto de caldera puede aumentar fácilmente sus costos de calefacción. Para asegurarse de que su edificio utilice el tipo de caldera más adecuado, la mejor solución es conseguir servicios profesionales de ingeniería MEP.

Incluso si compra la mejor caldera disponible, el mantenimiento preventivo es importante para mantener bajos sus costos de energía. Esto incluye:

  • Eliminación de escombros y residuos en la cámara de combustión.
  • Reemplazo de juntas y otros componentes cuando sea necesario.
  • Prueba de temperatura.

Los sistemas de calderas solo deben ser mantenidos e instalados por técnicos con licencia. Si no se instalan y reparan adecuadamente, pueden ocurrir accidentes fatales.

Clasificación de calderas por material

Los fundamentos de los sistemas de calderas

El acero y el hierro fundido son dos de los materiales de caldera más comunes, y cada uno tiene ventajas y desventajas. Las calderas de acero se pueden clasificar en dos subtipos: calderas de tubos de fuego y calderas de tubos de agua.

Caldera de acero de tubo de fuego

En este tipo de calderas, los gases de combustión circulan a través de tubos rectos que están rodeados de agua. Este proceso calienta el agua, que luego se hace circular a través del edificio para calentar el espacio, y se puede usar el mismo diseño para producir vapor.

VENTAJAS DESVENTAJAS
  • Compacto
  • Fácil de limpiar
  • Los tubos son fáciles de reemplazar
  • Barato
  • Capacidad limitada al generar vapor.
  • No puede manejar altas presiones de 250 psig o más.

Las calderas pirotubulares son adecuadas tanto para calefacción comercial como para procesos industriales. Dado que son compactas, estas calderas también se utilizan comúnmente para servicio marítimo.

Caldera de acero con tubos de agua

En este tipo de calderas, el agua circula a través de tubos que están rodeados de gases de combustión calientes. En otras palabras, una caldera de tubo de agua es exactamente lo opuesto a una caldera de tubo de fuego.

VENTAJAS DESVENTAJAS
  • Hay disponibles tamaños más grandes, lo que permite una mayor generación de vapor.
  • Puede manejar alta presión, hasta 5000 psig.
  • Puede alcanzar altas temperaturas.
  • Costoso
  • La limpieza y el mantenimiento son más difíciles.

Las calderas de tubos de agua son más adecuadas para aplicaciones industriales que para calefacción de espacios.

Caldera de hierro fundido

Estas calderas pueden tener una sola cámara, o pueden dividirse en secciones verticales u horizontales. Dependiendo de cómo esté diseñada la caldera, estas secciones se pueden ensamblar con sellos de ojal, boquillas de empuje o boquillas de rosca con cabezales externos.

  • Una caldera de una pieza consta de un recipiente a presión de una sola pieza.
  • Las calderas de sección horizontal son como panqueques, con secciones apiladas que están conectadas con pezones de empuje.
  • Las calderas de sección vertical tienen secciones que se colocan verticalmente, similar a cómo se corta una barra de pan.

¿Qué es una caldera de condensación?

Los fundamentos de los sistemas de calderas

A caldera de condensación utiliza la combustión de petróleo o gas y condensa el vapor de agua contenido en los gases de escape para recuperar el calor, como lo indica su nombre. Las calderas de condensación son adecuadas tanto para calefacción de espacios como para aplicaciones industriales. Al recuperar el calor latente del vapor de agua, este tipo de caldera puede alcanzar una eficiencia superior al 90%. Según el fabricante y el modelo, las calderas de condensación pueden ser de hierro fundido o acero.

El condensado que se produce al recuperar el calor es ácido y los fabricantes de calderas utilizan materiales como acero inoxidable o aleaciones de aluminio para el sistema de drenaje. Por este mismo motivo, el condensado se mantiene separado del agua caliente producida por la caldera.

Uso de calderas en sistemas hidrónicos

El término «hidrónico» se usa para describir sistemas donde el agua es el medio de transferencia de calor, y esto incluye sistemas de calefacción que usan calderas con tuberías de agua caliente. Por otro lado, un sistema de calefacción de aire forzado con horno no es hidrónico, ya que el aire se calienta directamente sin utilizar agua como fluido intermedio. La calefacción hidrónica es común en edificios grandes, donde una planta de calderas calienta el agua y se utilizan manejadores de aire con serpentines de calefacción para áreas individuales.

Conclusión

Organizaciones profesionales como la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME) desarrolla estándares para muchos tipos de equipos, incluidas las calderas. Históricamente, las calderas eran una causa común de daños a la propiedad o accidentes fatales, especialmente cuando aún se estaban desarrollando regulaciones. Si está planificando un proyecto de construcción que utiliza calderas, la elección de una empresa de ingeniería profesional y contratistas autorizados es fundamental para la seguridad.

Otra ventaja de trabajar con ingenieros experimentados es obtener recomendaciones de eficiencia energética durante el proceso de diseño. Esto reduce el consumo de combustible de su planta de calderas, ahorrando miles de dólares en facturas de calefacción a largo plazo.