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7/29/2019 Calderas Doc

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67.23/37 UBA Ing. O. Jaimovich

Captulo 18 1

Captulo 18Generadores de Vapor

18.1- Generalidades:

En ellos se efecta le transferencia de calor (calor entregado Qe) desde la fuente caliente,constituida en este caso por los gases de combustin generados en el hogar (o en otramquina*), al fluido de trabajo (vapor de agua).Son entonces, esencialmente intercambiadores de calor de superficie, por lo cual en ellosla transferencia de calor debe efectuarse con el mejor rendimiento posible, compatible conlos costos de la instalacin.El esquema funcional se puede sintetizar de la siguiente manera:

Como sistema, se deben considerar las prdidas, que en general se pueden considerar:

Prdidas por los gases de escape (Mximo de 13%) Evaporacin del agua formada en la combustin (Hasta 4%) Prdidas por deficiencias en el rendimiento de combustin (Hasta 0,2%)

Prdidas por radiacin, fugas de calor en general (Hasta 2,5%)

Desde luego, estos valores son solamente indicativos y corresponden a valores deinstalaciones comunes.En general, el valor porcentual de las prdidas en general, y de cada tipo en particular, setrata de disminuir a medida que aumenta la escala de la generacin de vapor; es decir quees de esperar que en los mayores generadores, correspondientes a las mayores potencias,las prdidas totales lleguen casi a la mitad de los valores anteriores.

18.2- Tipos de generadores de vapor:

La superficie de intercambio en los generadores est constituida por paredes de tubos,generalmente de acero, y que separan a los gases de combustin del fluido de trabajo(agua o vapor).De acuerdo al uso y a la escala de generacin, se pueden considerar dos tipos bsicos,segn sea por dnde circulan cada uno de ellos.

18.2.a- Generadores Humotubulares:

As llamados porque los gases de combustin circulan por dentro de los tubos, y el agualos rodea por fuera, segn el corte esquemtico siguiente, en el que se pueden ver lostubos de circulacin de gases colocados entre dos placas, con una envuelta externa quesirve para contener el agua.El generador se completa con cajas en ambos extremos, cuyas tapas son removibles, yque sirven para guiar los gases.

ases

esca e

condensado

vapor

Qe


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Captulo 18 2

El corte esquemtico sera como el siguiente:

Para ilustrar la disposicin de los elementos principales se acompaa el siguiente esquema

VSPSPI


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Captulo 18 3

Se han indicado adems en forma genrica los elementos de instrumentacin elementalcomo manmetro y presostato (PI y PS respectivamente), debindose considerar ademslos siguientes elementos:

Control de nivel Vlvula de seguridad Vlvulas de salida y purga

Este tipo de generadores, por su diseo no admiten presiones de trabajo elevadas, msall delas dos o tres atmsferas; son de construccin sencilla y disponen de moderadasuperficie de intercambio, por lo que no se utilizan para elevadas producciones de vapor.Su rendimiento global esperado a lo largo de su vida til no supera el 65% en el mejor delos casos.Son en compensacin, muy econmicos en costo y de instalacin sencilla, por lo que suutilizacin actual primordial es para calefaccin y produccin de vapor para usosindustriales.Originariamente se utilizaron para generacin de vapor en pequeas embarcaciones detrabajo (remolcadores) y fundamentalmente, traccin ferroviaria. Tambin se fabricaronmquinas viales y gras accionadas por motores de vapor con este tipo de calderas.

Actualmente el uso ferroviario reviste el carcter de atraccin turstica o de coleccin.

18.2.b- Generadores acuotubulares:

Son aquellos en los que el agua o vapor circula por dentro de los tubos. El esquemafuncional es el siguiente:

Domo

Revestimiento refractarioy aislacin

Paredes deagua

Quemador

Ventilador de

tiro forzado

Ventilador detiro inducido

Economizador

Recuperador

Precalentadorde combustible

Colector

inferior

Paredes de

tubos

Separador

de gotas

Sobrecalentadores

Hogar


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Captulo 18 4

Para una mejor visualizacin de la disposicin que pueden adoptar los elementos seacompaa el siguiente esquema:

18.3- Hogares:

Dado que los generadores de vapor son esencialmente intercambiadores, y que el calor atransferir proviene de la energa del combustible, se puede inferir que el conjunto hogar-quemadores constituye el trasductor primario de la energa en los procesos de generacinelctrica.Por ello la gran influencia de este conjunto en el rendimiento global de una instalacin.En primer trmino se debe considerar el rendimiento de combustin como la relacin entrela fraccin de energa realmente liberada en el proceso, y el total terico disponible, que duna idea del grado de aprovechamiento del combustible, para las condiciones de trabajodadas.Como se vio en el captulo correspondiente a combustin, el factor que tiende a disminuir

dicho rendimiento es el escaso tiempo disponible para el proceso.Para controlar ese factor se debe aumentar el tiempo o estada de los gases en el hogar,para lo cual se puede aumentar el recorrido de los gases aumentando las dimensiones, o


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Captulo 18 5

bien, aumentar dicho recorrido sin aumentar las dimensiones fsicas del hogar, peromodificando la circulacin en forma de flujo helicoidal (hogares ciclnicos).De esta forma se pueden utilizar combustibles residuales sin riesgo de emisionespeligrosas ni problemas operativos.Los parmetros de diseo en general son:

1. Clase de combustible a utilizar2. Cantidad de energa a transferir por unidad de tiempo (flujo)3. Ritmo y porcentaje de variacin de dicho flujo (capacidad de regulacin)4. Grado de recuperacin trmica deseado.

El tipo de combustible no solamente determina la configuracin fdisca de los quemadoresy el hogar, sino que tambin determina el flujo de aire requerido, como por ejemplo:

Carbn y combustibles slidos en general: 20 a 30% de exceso de aire Combustibles lquidos: 15% Combustibles gaseosos: 10 a 15%

Donde se entiende por exceso toda cantidad por encima de los valores estequiomtricos.

El flujo de calor viene dado, a ms de una constante, por el requerimiento de mximaproduccin continua de vapor (con una determinada entalpa) y eventuales sobrecargasadmisibles.Tambin se puede predecir en primera aproximacin el volumen fsico requerido para elhogar en funcin del tipo de combustible, ya que para cada tipo de combustible en cadatipo de hogar libera normalmente una determinada cantidad de unidades de energa porunidad de volumen, unidad de tiempo y temperatura prevista del hogar.

18.4 Paredes de agua:

Las paredes de agua constituyen actualmente el elemento primordial en la transmisin decalor desde los gases de combustin al fluido de trabajo al aprovechar totalmente el efectoradiante de los mismos, produciendo una mejora importante en el rendimiento.

Pero adems, mejoran el rendimiento total del generador al minimizar las prdidas de caloral exterior del hogar.

El efecto restante es el objetivo primario de este elemento, que consiste en la proteccindel refractario del hogar para evitar su erosin y rotura. Un corte tpico es:

estructura

aislante

envuelta

mampostera

cementoMembrana detubos


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Captulo 18 6

A los efectos de fijar conceptos, se puede ver una vista general del armado de una calderade 120 T/h, de tipo convencional, donde se sealan los elementos principales, incluyendoel armado de las paredes de agua que forman la pared lateral, piso y techo del hogar, y elmontaje de la parte frontal correspondiente:

18.5 Transmisin de calor:

La transmisin de calor desde la fuente caliente (gases de combustin) l fluido de trabajo(agua vapor) se realiza a travs de la superficie de intercambio, en este caso, las paredesde los tubos del generador.

El proceso reconoce tres efectos:

1. radiacin (desde los gases clientes y luminosos hacia las paredes externas de lostubos)

2. conveccin (desde los gases en la capa lmite contra la pared exterior de los tubos)3. por conduccin (entre las superficies externa e interna de los tubos)4. y nuevamente conveccin en la capa lmite de la superficie interna de los tubos

hacia el fluido de trabajo.

Las expresiones en cada caso son:

Para el caso de conduccin a travs de paredes de materiales diferentes con espesoresdiferentes, y siendo ki los correspondientes coeficientes de conductibilidad trmica paracada uno de los materiales de las paredes; bi los espesores de cada una; y te y ti lastemperaturas exteriores a uno y otro lado de la pared compuesta, la cantidad de calor por

COLECTORSUPERIOR DE LAPARED DE AGUA

FRONTAL

DOMO

TAMBORINFERIOR

ENTRADA DEHOMBRE

HACESCONVECTIVOS


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Captulo 18 7

unidad de tiempo y de superficie transmitida ser, considerando el caso simple de paredplana e indefinida:

=n

1 i

i

ie

k

btt

Q

y si se considera la conveccin fluida a ambos lados,

Q =

+

n

1 ii

i

ie

h

1

k

b

tt

Donde hi son los coeficientes convectivos; si se denomina K (coeficiente de transmisincombinado) al trmino

K

h1

k

b

1

ii

i =

+

n

1

Se puede entonces expresar la transmisin de calor como:

( )internaesterna -KQ =

siendo ? las temperaturas de los fluidos a uno y otro lado de la pared.

Los casos posibles de transmisin en las diferentes partes del generador de vapor, y deacuerdo con el sentido de circulacin relativo entre fluidos y estado de los mismos son:

Para estos casos, que representan todas las posibilidades tcnicas, la diferencia detemperaturas que se utiliza en la expresin de transmisin de calor es:

2

1

21m

t

tln2,3

ttt

=

que se conoce como diferencia media logartmica de temperaturas.

Asimismo, en paredes metlicas, los espesores b son siempre pequeos, mientras que loscoeficientes k son grandes, por lo que en primera aproximacin se suelen despreciar lostrminos b/k, quedando el coeficiente total de transmisin K de la siguiente forma:

? t2

? t2

? t2? t2

t t t t

x x x x

? t1 ? t1? t1

? t1

FLUIDOENFRINDOSE Y

LQUIDOEVAPORNDOSE

FLUIDOSENFRINDOSE

EN FLUJOPARALELO

UN FLUIDO SEENFRA Y EL OTROSE CALIENTA EN

CONTRACORRIENTE

VAPORCONDENSANDO Y

FLUIDOCALENTNDOSE


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Captulo 18 8

21 h1

h1

1K

+=

para el caso de pared simple y un fluido a cada lado.

La transmisin de calor por radiacin por unidad de superficie y unidad de tiempo, deacuerdo a la expresin de Stephan Boltzman es

=

4

r

4e

100

T

100

T.e.Q

donde Te y Tr son las temperaturas absolutas del emisor y receptor respectivamente, d laconstante de Boltzman y e, el coeficiente de emisividad o absortividad,

0 e 1

correspondiendo el valor 0 al cuerpo reflector perfecto y 1 al cuerpo negro perfecto.

Se utiliza una expresin simplificada mediante el coeficiente de radiacin k r tal que secumple:

)t-(t

100

T

100

T.

kqueseao

)t-t(.ek100

T

100

T.e.Q

21

4

r

4

e

r

21.r

4

r

4

e

=

=

=

Entonces se puede calcular, para un caso genrico de una pared de tubos que recibe calorde un ambiente caliente,

Qtotal = Qradiacin + Qconveccin = (K + kr) . (t1 t2)

Normalmente, el valor de ambos coeficientes se sacan de bacos o tablas, y lastemperaturas son, en este caso, la de los gases de combustin y el agua o vapor quecircula por dentro de los tubos respectivamente.

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