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Evolucin del diseo del Generador de vapor.

2.2 Evolucin del Diseo del Generador de Vapor.-

En esencia, un generador de vapor de GV. es un intercambiador de calor en el cual los

productos de combustin, es decir los quemados, ceden su energa trmica al agua contenida

dentro del mismo.

Este intercambio de calor corresponde a la expresin

Q = A . U . tm

donde :

Q: Calor intercambio en la unidad de tiempo.

A: Superficie de intercambio (en nuestro caso la superficie de calefaccin).

U: Coeficiente total de transf. trmica.

tm.: Diferencia media logartmica de temperatura entre los gases y el agua.

En este captulo se analizarn las modificaciones principales que se fueron efectuando en el

diseo de lo GV. Estas modificaciones en un principio obedecan ms bien a posibilitar su

ejecucin con los medios que les proporcionaba la tecnologa de la poca, ms que a

consideraciones temodinmicas. Desde el momento en que Newcomen concreta la idea de

una mquina trmica que utiliza vapor de agua como fluido intermediario, puede decirse que

nace la necesidad de disponer de un GV.

Inicialmente el GV. tenan al hogar formando un

cuerpo que era exterior a la caldera. La combustin se

realizaba en el hogar y luego los quemados ingresaban

a la caldera. Empleaban cobre como material bsico,

atento a la facilidad y posibilidad mediante el caldeo

de resolver las uniones. Lgicamente las presiones de

generacin eran reducidas limitndose a valores

prximo a 1 bar efectivo.(Fig. 1)

Cuando la tecnologa domin el proceso de fusin del

hierro, el cobre fue reemplazado por fundicin dehierro. Pero es recin cuando se est en condiciones

de elaborar chapas de acero de bajo tenor de carbono

cuando se inician grandes adelantos en la fabricacin

de GV. Restaba resolver las uniones, ya que este

material dificultaba la posibilidad de hacerlo por caldeo. Nace la tcnica del remachado.

Otro limitante del diseo, era la posibilidad de fabricar tubos de reducido dimetro.

Fig. 1

Como resultado de estas limitaciones las ejecuciones a fines de siglo pasado, consistan en

un gran cuerpo cilndrico cuyos extremos eran cerrados con fondos abovedados. Las uniones

con remachadura. La caracterstica de estos GV. eran de Gran Volumen de Agua.

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Evolucin del diseo del Generador de vapor.

2.2.1. GV. de Gran Volumen de Agua.-

Como se anticipara consista en un cuerpo cilndrico con fondos abovedados. El cuerpo

cilndrico estaba integrado por anillos (virolas) de un ancho de aprox. 1,50 m.

A fin de posibilitar su ensamble, las virolas tenan dimetro interior tal que posibilitaba la

insercin una dentro de otra. (Fig. 2) Se las vinculaba por remachado. Los fondos

abovedados se forjaban a mano.

Fig. 2

Estos GV. se llenaban de agua hasta un 50 % el resto constitua la cmara de vapor.

Disponan en su parte central superior, de un cuerpo cilndrico en T que cumpla las veces de

separador de gotas. Se llamaba Domo. Debido a estos elementos, ms adelante cuando seprescinde de ellos, al cuerpo cilndrico que tambin cumpla la funcin de separador de

gotas, por extensin se le llam domo. Para obrar de separador de gotas, su seccin

transversal deba ser tal que la velocidad de ascenso del vapor a mxima produccin, fuese

reducida. A menor velocidad de ascenso del vapor, menor el dimetro de gota capaz de

arrastrar., por lo tanto mayor el ttulo.

La superficie de calefaccin corresponda al rea del cuerpo cilndrico que estaba en

contacto con el lquido, pero medida lado gases. Para aumentar la superficie de intercambio

en procura de incrementar la produccin de vapor, era necesario aumentar el dimetro o su

longitud. Incrementando el dimetro, deba incrementarse el espesor, para una misma

presin interior. Esto estaba limitado por la tecnologa de entonces. Tanto de fabricacin dela chapa con por el rolado de las virolas. Es as que los dimetros mximos del cuerpo

cilndricos eran prximos a 2,40 m. y una longitud de 10 metros.

Incrementar la longitud tambin les resultaba inconveniente. Se generaban problemas

derivados de dilatacin diferencial. Este efecto se originaba por desigual calefaccin por el

extremo por donde ingresaban los quemados, y el otro por donde egresaban e iban a

chimenea. A raz de esta diferencia el cuerpo cilndrico se distorsionaba apareciendo

esfuerzos mecnicos que se sumaban a los ejercidos por el vapor. Como su magnitud no era

previsible en forma precisa, las explosiones eran lamentablemente frecuentes. Las

consecuencias eran de tremenda magnitud consecuencia de la energa de la gran masa de

agua encerrada.

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La combustin que se haca en un hogar anterior recorra luego la pared exterior del cuerpo

cilndrico y sala a chimenea por el otro extremo. Los gases resultaban confinados entre la

pared exterior del cuerpo cilndrico y una construccin paralela de mampostera refractaria.

La combustin obligadamente deba llevarse a cabo con elevado exceso de aire para reducir

la temperatura final de combustin. De este modo el efecto de dilatacin diferencial sereduca. Esta solucin presentaba dos inconvenientes: disminua el rendimiento trmico y el

valor de Atm.

Como el desplazamiento de los quemados era paralelo a la pared del cuerpo cilndrico, era

de escasa turbulencia y como el coeficiente de pelcula lado gases es decenas de veces

menor que el del lado agua, resulta ser un "factor controlante" del proceso de intercambio

trmico. Luego el valor de 'U' resultaba reducido al igual que tm. con ello la vaporizacin

especfica.

En los diseos ms avanzados la presin mxima de rgimen era de 6 bar, saturado y la

vaporizacin especfica del orden de los 15 kg. de vapor/m-hora. El rendimiento trmico del50 %. Las unidades de este tipo con dimensiones lmites, la superficie de calefaccin es de

40m logrndose un gasto de vapor de 600 kg/h.

Los GV. resultaban tan elementales que el concepto de caldera y GV. se confunde. Dado su

gran volumen de agua, la inercia trmica para los arranques desde la condicin de fra,

requeran aprox. 24 hs. para evitar excesivas dilataciones diferenciales. Con el objeto de

incrementar la superficie de calefaccin, se incorporaban cuerpos cilndricos de menores

dimetros vinculados al principal tal como ilustra la Fig. 3. Este artificio introduca

riesgosos esfuerzos adicionales difciles de prever con los conocimientos del clculo de la

poca. Las fallas estructurales obligaron a la bsqueda de nuevas soluciones.

Fig. 3

Un primer avance de importancia consisti en el agregado de un hogar interior. Fig. 4. Este

consista en un tubo de acero corrugado. La razn de esta geometra se fundamenta en la

mayor elasticidad del tubo. Ello era menester por cuanto al desarrollarse en su interior lacombustin, dilataba en mayor grado que el cuerpo cilndrico. La dilatacin diferencial era

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absorbida por el fuelle del tubo, sin que el esfuerzo axial fuese excesivo. Caso contrario se

habra de sumar ste al ejercido por el vapor. La combustin se iniciaba en el extremo

izquierdo del hogar. Se desplazaba hasta el otro extremo, donde sala y recorra por el

exterior al cuerpo cilndrico, pero de un solo lado. Alcanzando nuevamente el extremo

izquierdo, el cierre de mampostera le permita acceder al otro costado del cuerpo cilndricoy recorrerlo hasta el extremo a la derecha para salir luego por chimenea. Efectuaba 3 pasos.

Uno por dentro del hogar, dos por fuera del cuerpo cilndrico.

Fig. 4

La colocacin del hogar dentro de la masa lquida genera una activa corriente turbulenta.

La geometra corrugada introduca mayor turbulencia a los gases aumenta el coeficiente depelcula lado gases. Como el hogar estaba simtricamente enfriado por la masa de lquido,

fue posible la combustin con menor exceso de aire lo que aument Atm. y la eficiencia del

GV. De este modo se alcanzaron vaporizaciones especficas de 20 kg/hora-m. Por otro lado

la superficie de calefaccin se incrementaba en el rea exterior del hogar. Como su dimetro

medio era de 1 metro o sea una superficie externa de 30 m, sumada a la del cuerpo

cilndrico totalizaba 70 m. El gasto resulta de 1400 kg/hora. El dimetro exterior del cuerpo

cilndrico qued limitado al valor dado por cuanto las razones dadas no variaron.

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