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MAQUINAS

TERMICAS

UNIDAD TEMATICA 3 PROFESOR: Ing. Eduardo aez PROFESOR : Ing. Christian Dominguez AO 2013

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL SANTA CRUZ

MAQUINAS TERMICAS - Profesor: Ing. Eduardo aez . JTP: Ing. Christian Dominguez Pg.2

Unidad Temtica 3 Generadores de vapor. Definicin y clasificacin. Calderas humotubulares. Clasificacin. Evolucin de las calderas humotubulares. Calderas modernas de hogares interiores, dos y tres pasos. Tipos de hogares y fondos o cmaras de retorno. Equipos auxiliares. Automatizacin. Calderas acuotubulares. Tubos rectos y curvos. Calderas industriales y para generacin de energa elctrica. Caracterstica de los hogares para distintos tipos de combustibles. Sobrecalentadores de radiacin y convexin. Accesorios, niveles, vlvulas, manmetros, sopladores de holln, bombas de alimentacin, etc.

Generadores de Vapor Dentro de los lmites del conocimiento actual, el vapor de agua es el vehculo de calor ms econmico y conveniente tanto para la produccin de energa como para el intercambio. Se han empleado otras sustancias, tales como el mercurio y el difenilo, pero de ninguna de ellas se puede disponer tal universalmente como el agua, y en forma tan econmica. Por eso, predomina en la industria el generador de vapor de agua, variando su importancia desde unidades simples que evaporan algunos litros por hora hasta las complejas centrales termoelctricas, que producen muchos miles de kilogramos por hora. El fin de un generador de vapor es el de producir vapor a presin, a partir de las materias primas, tal como el combustible, agua y aire. Se pone as en libertad, la energa potencial del combustible, transmitindola y almacenndola en el vapor de agua, que la conserva en forma de calor latente y calor sensible. Los primeros tratados escritos sobre la generacin del vapor, se deben a Mathessius (1571) y a

Ramelli (1588). La primera mquina de generacin de vapor se debe a Williams Blakey en 1766. Esta mquina puede considerarse como el primer paso en el desarrollo de las calderas de tubos de agua. En la figura, se representa la mquina de Blakey. Por el interior de esta botella circulaban los humos producidos por una combustin realizada fuera del equipo y por el interior de los tubos inclinados el agua. Los tubos estaban conectados entre s por medio de codos de menor dimetro. En cuanto a los generadores de vapor para Centrales Trmicas, se puede decir que la primera central que se construye en el mundo fue para Brush Electric Light Co. Philadelphia, EE.UU. en 1881. A partir de ese momento la carrera ha sido vertiginosa, pasando de utilizar vapor a 12 kg/cm2 y 300C, a los 385 kg/cm2 y 620C, es decir, por encima del punto critico (224,2 kg/cm2, 374C). Las producciones de vapor han aumentado tambin vertiginosamente, siendo ahora normal calderas de 3.000 tn/h de produccin de vapor.

Fig. 1 Primer evaporizador W. Blakey, 1766

Definiciones Caldera: Es todo recipiente cerrado dentro del cual se genera vapor a una presin mayor que la atmosfrica, mediante la accin del calor cedido por una fuente trmica apropiada. Forman parte de



la caldera todos aquellos equipos de la instalacin en contacto con agua y vapor, es decir, sobrecalentador, desobrecalentador, recalentador intermedio, economizador, superficie evaporante, cuerpo cilndrico, y colectores. Generador de vapor: Es el conjunto constituido por la caldera y los restantes equipos auxiliares de la instalacin que son necesarios para el adecuado funcionamiento de la unidad, es decir, incluye el sistema de combustible, ventiladores, sopladores, sopladores de holln, precalentadores de aire, chimeneas, conductos, sistema de regulacin, etc. En la prctica indistintamente se emplea el trmino de caldera generador de vapor, para denominar al conjunto de las instalaciones. Presin y temperatura normal de trabajo o nominal: Es la presin y la temperatura de vapor a la salida del generador de vapor, para la cual fue diseado ste en condiciones normales de rgimen. Presin mxima de trabajo: Es el valor mximo que puede alcanzar la presin en condiciones admisibles de seguridad. Temperatura mxima de trabajo: Es la mxima temperatura que puede alcanzar el vapor sobrecalentado, recalentado, o el agua en las calderas de agua caliente, en condiciones admisibles de seguridad. Presin de sellado o de timbre: Es la presin para la cual se regula y sella la o las vlvulas de seguridad. Casi siempre la presin de timbre coincide con la mxima presin de trabajo. Presin y temperatura de diseo: Es la presin utilizada para el dimensionamiento de los elementos y equipos del generador de vapor. Las partes del sobrecalentador se calculan teniendo en cuenta la temperatura mxima del metal, ms 35 a 50C. A continuacin damos algunos ejemplos de estos parmetros caractersticos del diseo: Produccin mxima continua: Es la mxima cantidad de vapor producido por hora en servicio permanente, bajo las condiciones de presin y temperatura nominales de trabajo. Produccin de vapor mxima instantneo: Es la mxima cantidad de vapor producida por hora en un intervalo de tiempo determinado. Produccin de vapor mnima: Es la cantidad de vapor generado por hora en condiciones de combustin estable. Vaporizacin especfica: Es la cantidad de vapor que se produce en una hora por m2 de superficie de calefaccin. Ejemplo, condiciones para el mismo generador de vapor antes mencionado: - Produccin mxima continua 130 t/h - Produccin mxima instantnea 136,5 t/h durante 2 horas - Produccin mnima 13 t/h - Produccin especfica 60 kg/m2 hora Carga trmica o liberacin de calor por volumen del hogar: Es el cociente entre la cantidad de calor liberado por el combustible y el aire y el volumen del hogar. Calor liberado en el hogar por m2 de superficie: Es el cociente entre la energa liberada en el hogar y la superficie proyectada de la misma.

Presin Temperatura De trabajo nominal 82 kg/cm2 506 5C Mxima de trabajo 85 kg/cm2 520C (cuando no funciona el atemperador) Diseo 95 kg/cm2 550C



Absorcin mxima de calor en cualquier punto del hogar: Es la cantidad de calor absorbido mxima por el agua por m2 de superficie de hogar. La absorcin mxima se produce cerca de los quemadores. Depende su intensidad del tipo de quemador utilizado, de la ubicacin de los mismos y la seccin del hogar en la zona de quemadores. Este valor define de alguna forma la vida til de los tubos evaporantes y de la calidad del agua que se debe exigir. A continuacin suministramos algunos datos de liberacin ms empleados en los diseos de los generadores de vapor:

LIB x m2 de SUP. PROYECT (kcal/m2 h)

LIB x m3 DE HOGAR (kcal/m3 h) Tipo

MEDIO MAXIMO MEDIO MAXIMO A o D V o RAD

450.000 410.000

540.000 520.000

535.000 280.000

890.000 445.000

LIBERACIN x m2 DE SECCIN DE HOGAR EN ZONA DE QUEMADORES (kcal/m2 h)

V o RAD 350.000 445.000 --- --- Las temperaturas a la salida del hogar, expresadas en un hogar para distintos combustibles, son las siguientes: Gas natural 1230 1260C Fuel Diesel Ol 1200 1230C Carbn R. Turbio 1150 1200C celulosicos 890 - 925C



Clasificacin y Caractersticas de los generadores de vapor. Una primera clasificacin de los generadores de vapor, puede ser la siguiente:

forzado asistidan Circulaci Combinado-forzado Paso-

Radiante -

nRecuperaci - Asistidan Circulaci-

opulverizadcarbn P/ -gaseosoy

lquido ecombustiblP/ -convectivo hazCon -

radiantey Colgada

D V obraen Armadas -D Tipo -A Tipo -

en taller Armadas -

adors/recalentadasAutosoport

NaturalnCirculaci-

rAcuotubula

celulsico comb. Carbn aincorporad Grilla C. int.Hogar - torsionalCmara -

Grilla - )celulosico o(Carbn externoHogar -

hmedo Fondo - seco Fondo -

GN)-(F.O. internoHogar -

rHumotubula

vapordesGeneradore

La tendencia de pasar de calderas humotubulares a las acuotubulares se debe fundamentar para lograr lo siguiente:

- Mayor produccin de vapor.

- Mayor presin y temperatura.

- Mayor produccin especfica.

- Menores costos especficos de instalacin y operacin.

- Menores tiempos de arranque y respuestas rpidas a la variacin de carga.

- Mayor confiabilidad.

A continuacin pasamos a describir las formas y caractersticas ms sobresalientes de las calderas antes clasificadas. Calderas Humotubulares Los generadores humotubulares son empleados en el rango de presiones entre 5 a 30 kg/cm2 y producciones que van de 1 a 28 t/h, desplazando el generador acuotubular que tradicionalmente se empleaba a partir de las 10 t/h de vapor. Este avance relativo se debe en su mayor parte a las siguientes ventajas:

1- Las mejoras introducidas en este diseo determinaron un aumento considerable de la vida til y menos costo en mantenimiento de las mismas.



2- Las menores exigencias en tratamiento de agua de alimentacin llevan a un menor costo de operacin.

3- Su volante trmico, permite un control automtico sencillo con buena respuesta a picos bruscos de demanda de vapor.

4- La inversin inicial es comparativamente mucho menor. Las producciones de vapor apuntadas se han logrado bsicamente redimensionando las zonas de mayor compromiso trmico.

La caldera humotubular esta constituida por un recipiente que contiene agua en ebullicin y que es atravesado por tubos, por el interior de los cuales circulan los gases, producto de la combustin. Esta se genera en el hogar, que constituye el primer pasaje de gases, aqu la transmisin de calor se realiza principalmente por radiacin. Para su mayor aprovechamiento trmico los gases son conducidos a un segundo pasaje de gases. La cmara de retorno es exterior a la caldera y construida con mampostera refractaria La mayora de los generadores humotubulares hoy da incorporan un tercer pasaje de gases.

Fig. 2 Caldera humotubular de tres pasos de gases.

Otro tipo de caldera humotubulares emplean una cmara primaria de retorno, totalmente refrigerada por agua. Este tipo de desarrollo ha llevado a dos tipos de cmaras refrigeradas, las de construccin exterior y la interior. En las de construccin exterior la misma es formada por paredes de tubos (tipo constructivo denominado pared membrana). El inconveniente de este tipo de cmara esta en cuento a calidad de agua de reposicin y rgimen de purgas. Las exigencias son similares a las de los generadores acuotubulares. Se las emplea cuando se incorpora un sobrecalentador de dimensiones considerables, caso en el que debido al tamao de la cmara, es imposible instalarlo.

Fig. 3 Caldera humotubular con sobrecalentador.



En el segundo tipo constructivo la cmara de fondo hmedo es un recipiente cilndrico totalmente rodeado por agua, que por un lado comunica hogar y tubos del segundo pasaje de gases, y por otro es llevado a la placa trasera de la caldera por medio de virotillos soldados o stays. Este tipo de cmara de retorno no introduce ninguna limitacin en cuanto a calidad de agua de reposicin y ha demostrado ser solucin estructuralmente ptima.

Fig. 4 Caldera humotubular de fondo hmedo. Las calderas humotubulares hoy da se disean manteniendo la temperatura de entrada al segundo paso entre 900 a 950C. Por otro lado y para mejorar la construccin en su punto crtico, hoy da los tubos del segundo pasaje se mandrilan y luego se sueldan a la placa tubular. En la fig. 5 hemos esquematizado una caldera humotubular en la que se indican las temperaturas en los distintos pasos para un balance ptimo de calor.

Fig. 5 Temperaturas en los distintos pasajes de las calderas humotubulares.

C288 a 270 -4C500 a 470 -3

Convectiva Zona

C950 a 900 -2C1050 a 1000 -1

Radiante Zona



Calderas Acuotubulares Debido a que las calderas humotubulares tienen una serie de limitaciones, tales como:

- Baja produccin y presin de vapor.

- Imposibilidad de alcanzar altas temperaturas de vapor sobrecalentado.

- Imposibilidad de colocar recalentadores.

- Excesivo peso por unidad de vapor generada.

- Tiempo excesivo requerido para alcanzar la mxima produccin (desde fro)

- Imposibilidad de producir variacin de carga rpida, debido a su gran volumen de agua.

Se disearon las calderas acuotubulares. En este tipo de calderas el agua o vapor circulan dentro de los tubos, colectores y domo, mientras que los gases de combustin lo hacen exteriormente a estos elementos. Estas calderas que son construidas a partir de las 10 t/h de vapor, tienen las siguientes ventajas frente a las humotubulares:

- Sin lmite de produccin de vapor.

- Pueden alcanzarse grandes temperaturas de vapor sobrecalentado y recalentado.

- Bajo peso por unidad de vapor generado.

- Tiempos bajos para alcanzar la mxima potencia.

- Gran flexibilidad para responder a las variaciones de carga, debido a su relativa pequea cantidad de agua.

- Absorcin de calor grande, debido a su circulacin controlada.

Los componentes de un generador de vapor moderno se disponen para absorber eficientemente el calor de los productos de la combustin y para suministrar vapor a la presin, temperatura y gasto msico especificados; comprenden la caldera, sobrecalentador, recalentador, economizador y calentador de aire; stos equipos se complementan con sistemas separadores agua-vapor y para el control de la temperatura de salida del vapor. El conjunto de la caldera se divide en dos partes: el hogar y el paso de conveccin. - El hogar es un amplio volumen abierto en el que tiene lugar la combustin, con paredes de cerramiento refrigeradas por agua y vapor, y donde se refrigeran los productos obtenidos en el proceso, hasta lograr la temperatura adecuada de los humos a la salida del hogar - El paso de conveccin est conformado por bancos de haces de tubos que configuran el sobrecalentador, el recalentador, el banco de caldera y el economizador Normalmente, al paso de conveccin le sigue el equipo recuperador o calentador de aire.



El sistema de circulacin de la caldera est constituido por tubos, colectores y calderines, conectados de forma que el flujo de agua que circula para generar el vapor, refrigere a la vez todos los componentes. La caldera acuotubular ofrece una mayor versatilidad en la disposicin de sus componentes, lo que facilita un aprovechamiento ms eficiente del hogar, del sobrecalentador, del recalentador y de todas las superficies termointercambiadoras. El tamao de la caldera depende de la produccin de vapor, desde 0,131260 kg/s, y presiones desde 1 atm hasta valores superiores a la crtica. La configuracin de la caldera viene determinada por: - El sistema de combustin - El combustible - Las caractersticas de la ceniza - La presin de operacin - La capacidad total de generacin de vapor (potencia mxima) viniendo indicadas las diversas configuraciones en las Fig. 6 a 10.

Fig. 6 Caldera industrial de hogar integrado para quemar aceites y gases Caldera con hogar integrado: es una caldera modular de baja presin, tiene dos calderines y quema aceite y gas, Fig. 6. Para bajas potencias se puede montar completamente en taller y enviarla luego hasta su lugar de destino; como quema combustibles limpios, no hay necesidad de prever medios para la captacin de cenizas o para la limpieza de superficies termointercambiadoras. Para lograr la potencia de vaporizacin, la superficie termointercambiadora est constituida por un banco tubular configurado por tubos poco espaciados entre s, que se extienden entre un caldern de vapor superior y otro inferior.



Caldera Stirling: Consta de dos calderines, y est dotada de un hogar con zona de combustin controlada, diseada para la combustin de maderas con alta humedad, y de biomasa, Fig. 7; est dotada de un sistema de parrilla mecnica (hogar mecnico) y de un banco de caldera con gran superficie de generacin de vapor.

Fig. 7 Calderas energticas Stirling de dos calderines con hogar mecnico para quemar cortezas Grandes calderas energticas: las Fig. 8 y 9 representan variantes de caldera radiante, para sistemas de generacin de vapor en caldera con caldern y circulacin natural. La de la Fig. 8, tipo Carolina, quema carbn pulverizado en lecho suspendido: - Tiene un flujo de gases descendente en el paso posterior de conveccin - Minimiza la altura del generador de vapor - Incluye sopladores para la limpieza de las superficies termointercambiadoras - Incluye medios para la captacin de la ceniza La Fig. 9 corresponde a una configuracin de caldera radiante tipo El Paso, que quema aceite y gas; es una unidad muy compacta, debido a los combustibles relativamente limpios que utiliza, lo que minimiza la superficie de la planta; se pueden prever medios selectivos para la limpieza del equipo. Las calderas de presin universal diseadas para proceso directo (flujo de paso nico), pueden ser de presiones supercrticas o subcrticas. La Fig XVIII.5 es una unidad de presin supercrtica de 1300 MW que quema carbn pulverizado y utiliza tubos verticales en las paredes del hogar; estas calderas



se suministran con simple o doble recalentamiento y se construyen con estanqueidad del lado de los gases. Las paredes, suelos y techos son de cerramiento total refrigerados por agua, y estn configurados mediante paneles membrana completamente soldados. El diseo de la circulacin en una unidad de proceso directo elimina la necesidad de incorporar un caldern de vapor; los mltiples circuitos del flujo que circula minimizan los desequilibrios de temperatura que se pueden originar como consecuencia de un aporte calorfico no uniforme entre diversos puntos de la periferia del hogar. Existen diseos de presin universal de proceso directo para presiones subcrticas, con hogares que disponen de una circulacin del fluido de trabajo agua-vapor, en espiral .

Fig. 8 Caldera radiante tipo Carolina, para quemar carbn pulverizado; 203,4 bar, 541C y 617 kg/s Diseo de calderas: El diseo de calderas modernas est influenciado por: - La eficiencia de la caldera y del ciclo trmico - La fiabilidad y los costes de inversin y de operacin - La proteccin medioambiental Todas las unidades comparten un determinado nmero de elementos fundamentales, sobre los que se basa el diseo para cada ubicacin y aplicacin.



La evaluacin de una caldera comienza por la identificacin de las necesidades globales de la aplicacin, que se relacionan en la Tabla 1, las cuales se seleccionan mediante un proceso iterativo, que tenga en cuenta:

Fig. 9 Caldera radiante tipo El Paso, para quemar gas: 175,8 bar, 513C y 482 kg/s

Tabla 1 Especificaciones empricas para el diseo de las calderas



- La inversin - El coste de operacin (especialmente de combustible) - Las necesidades de vapor - La experiencia de operacin

Fig. 10 Caldera de presin universal para quemar carbn pulverizado: 265,1 bar, 543C y 1232 kg/s Para evaluar la caldera, el diagrama temperatura-entalpa, Fig. 11, para una unidad de alta presin y recalentamiento simple, facilita una importante informacin para el diseo de la unidad.

Para ciclos con presiones de operacin supercrticas, se puede aadir un segundo recalentamiento intermedio del vapor que incrementa la absorcin total de calor en un 20%. Para aplicaciones industriales pueden ser suficientes las etapas correspondientes al calentamiento del agua del ciclo y a la vaporizacin. Las calderas se pueden disear para presiones de operacin subcrticas o supercrticas:



- A presiones subcrticas, el cerramiento del hogar est refrigerado por el agua de la caldera a temperatura constante; los circuitos de flujo se disean para asumir el flujo en dos fases agua-vapor y el fenmeno de la vaporizacin - A presiones supercrticas, el agua acta como un fluido de fase nica, con un continuo incremento de la temperatura, conforme pasa por la caldera Estos diseos tienen que evitar desequilibrios en la temperatura del metal, causados por las variaciones en la absorcin de calor en los distintos circuitos de flujos, utilizndose dos sistemas bsicos de circulacin del fluido en la caldera de circulacin natural y de proceso directo o paso nico.

Fig. 11 Diagrama (Temperatura-entalpa), para absorcin en caldera subcrtica con una seccin de calentamiento

Circulacin natural: Es consecuencia de la diferencia de densidades entre las ramas calientes y fras del circuito. En los sistemas de circulacin natural que operan a presiones subcrticas, el agua se vaporiza slo parcialmente en los circuitos de la caldera, produciendo una mezcla agua-vapor a la salida de los tubos. El equipo de separacin de la mezcla agua-vapor se incluye para separar el vapor del agua, con el fin de suministrar vapor saturado seco al sobrecalentador y reciclar el agua a los circuitos de la caldera. Los lmites aceptados en la qumica del agua, a nivel industrial, son menos rigurosos a bajas presiones; la cada de presin del fluido agua-vapor en el interior de los tubos, suele ser menor que la de diseo. Proceso directo o paso nico: En este diseo se eliminan el caldern de vapor y el equipo interno de separacin del vapor, y se aade un sistema diferente de puesta en servicio. Las calderas de proceso directo o paso nico de presin universal se disean para operaciones subcrticas y supercrticas. A presiones supercrticas, el sistema puede incrementar la eficiencia global del ciclo energtico, a base de una mayor inversin, ya que se necesita una operacin ms precisa y un tratamiento de agua ms riguroso.



Criterios de diseo: Los puntos a tener en cuenta en el diseo de una caldera son: a) Definir el aporte de energa teniendo presente:

Los requisitos de los flujos de vapor La temperatura del agua de alimentacin del ciclo La eficiencia trmica supuesta de la caldera

b) Evaluar la absorcin de energa que se necesita en la caldera y en los dems componentes de intercambio trmico. c) Realizar los clculos de combustin para establecer los flujos de combustible, aire y gases. d) Determinar la forma y el tamao del hogar, teniendo en cuenta la ubicacin y necesidades de espacio de los quemadores y sistemas de combustin, incorporando el volumen de hogar suficiente para lograr la combustin completa y bajas emisiones. Hay que prever medios para manipular la ceniza contenida en el combustible y para enfriar los gases, de forma que la temperatura de humos a la salida del hogar satisfaga los requisitos de diseo. e) Determinar la situacin y configuracin de las superficies de calentamiento por conveccin. El sobrecalentador y el recalentador se ubican donde la temperatura de los gases sea lo suficientemente alta que permita producir una transferencia de calor efectiva, pero no tanto como para que se puedan producir temperaturas excesivas en los tubos o ensuciamientos por ceniza Las superficies de conveccin se disean para minimizar el impacto debido a la acumulacin de ceniza y para permitir la limpieza de superficies sin erosin de las partes a presin. f) Instalar la suficiente superficie de caldera que permita generar el resto de vapor que no se produzca en las paredes del hogar, lo que se debe cumplimentar con o sin economizador. g) Instalar un cerramiento de caldera estanco a gases, alrededor del hogar, caldera, sobrecalentador, recalentador y economizador. h) Disear los soportes de las diferentes partes a presin y del cerramiento, para hacer frente a la expansin y a las condiciones locales, incluyendo cargas debidas al viento y a terremotos. Seleccin y especificacin del combustible.- Los sistemas de calderas se disean para determinados combustibles; cuando se queman otros con caractersticas distintas a las del combustible de diseo se presentan con frecuencia problemas en la combustin, escorificacin, ensuciamiento, manipulacin de la ceniza, etc. Superficie de cerramiento: El hogar de una gran caldera que quema carbn pulverizado, aceite o gas, es un gran volumen delimitado por un cerramiento, en el que tiene lugar la combustin del combustible y la refrigeracin de los gases de combustin antes de que stos penetren en los bancos tubulares del paso de conveccin. Una temperatura excesiva de los humos que entran en los bancos de tubos de conveccin, puede provocar en los tubos elevadas temperaturas o un ensuciamiento o una escorificacin inaceptables. La transferencia de calor a las paredes del cerramiento del hogar, tiene lugar fundamentalmente por radiacin; estas paredes pueden estar refrigeradas por agua en proceso de vaporizacin (a presin subcrtica), o por agua a alta velocidad (a presin supercrtica). El cerramiento de la zona de conveccin contiene los pasos de gases, horizontales y verticales descendentes, en los que se localiza la mayor parte de la superficie del sobrecalentador, recalentador y economizador, Fig. 8. Las superficies del cerramiento pueden estar refrigeradas por agua o por vapor. Los cerramientos del hogar y del paso de conveccin estn conformados con una construccin tipo pared membrana totalmente soldada, con tubos refrigerados por agua. Estos cerramientos se construyen tambin con tubos en contacto (uno junto al otro), o con tubos muy poco espaciados dotados de una envolvente interna estanca a los gases. En el caso de una pared membrana, los tubos de la pared y de las superficies membrana del lado del hogar (envolvente interna) estn expuestos al proceso de combustin; el aislamiento y la envolvente exterior protegen la caldera del medio ambiente, minimizan las prdidas de calor y preservan de daos al personal. Tamao del hogar y requisitos del ciclo: El cerramiento del hogar constituye gran parte de la superficie generadora de vapor de la caldera, facilitando adems el volumen necesario para la combustin completa, y el medio de enfriamiento de los gases de combustin hasta una temperatura aceptable a la salida del hogar.



En unidades que queman carbn, el volumen mnimo del hogar se fija para lograr una determinada temperatura en la ceniza del combustible, a la salida del mismo, lo que, para cumplimentar los requisitos termodinmicos correspondientes a la temperatura de salida del vapor, conduce a disponer de demasiada superficie de vaporizacin en unidades de alta presin, y a poca superficie de vaporizacin en unidades de baja presin. La Fig. 12 indica la influencia del ciclo de vapor, su presin y temperatura, en la absorcin de energa entre caldera/economizador y sobrecalentador/recalentador.

Fig. 12 Absorcin de calor en %, segn la presin de operacin y la temperatura del vapor

Al aumentar la presin y temperatura del vapor, para una produccin energtica dada, la absorcin total de la unidad decrece progresivamente como consecuencia de la mayor eficiencia del ciclo. La absorcin de la caldera/economizador representa el calor aplicado al agua de alimentacin entrante en la caldera, para producir vapor saturado, o para alcanzar el punto crtico en una caldera de presin universal supercrtica de proceso directo o de un paso. Al aumentar la presin de la operacin, la cantidad de calor requerida para producir vapor saturado disminuye, mientras que para el sobrecalentador/recalentador aumenta. La variacin de la absorcin requerida al modificarse la presin de la caldera/economizador no es significativa; una variacin en esta absorcin de un 1% equivale a un desvo de unos 6C en la temperatura del vapor sobrecalentado o del vapor recalentado. En unidades de baja presin, el calor absorbido por el hogar no es el adecuado para producir todo el vapor saturado requerido y, por llo, aguas abajo del sobrecalentador se instala un banco de caldera o haz vaporizador. En unidades de alta presin, el calor absorbido por el hogar y por el economizador es el adecuado para producir todo el vapor saturado que se requiere. Cuando el tamao del hogar aumenta, el economizador se puede hacer ms pequeo para generar la misma cantidad de vapor; cuando el tamao del hogar aumenta hasta un determinado tamao, se llega a una situacin en la que no se precisa economizador. Cuando el hogar se agranda, la temperatura de salida de los humos se reduce, producindose demasiado vapor, por lo que los gases no tendrn la energa suficiente que permita alcanzar la temperatura de diseo en el sobrecalentador/recalentador. Criterios de diseo del hogar: El hogar se puede considerar como un gran volumen con una abertura de salida, confinado por paredes refrigeradas con agua y dentro del cual se realiza el



proceso de la combustin; su perfil y volumen quedan fijados por el tipo de combustible y sistema de combustin. Con paredes que utilizan quemadores o recintos de fuego circulares, la separacin mnima entre los quemadores, las paredes laterales y la solera del hogar, se establece con el criterio de llegar a la combustin completa, por lo que: - Se impide la interaccin entre los flujos de combustible y llama - Se asegura la combustin completa - Se evita la colisin de las llamas sobre las paredes, que provocaran el recalentamiento de los tubos o depsitos excesivos - Se minimiza la formacin de NOx El rgimen de aporte mximo de combustible y el nmero de quemadores establecen: - El rea de la seccin recta del hogar - La altura de la zona de combustin - La altura de la zona de inyeccin de aireterciario - La distancia entre los quemadores y la solera del hogar Cuando el combustible se quema en hogares mecnicos, el rea de la seccin recta del hogar se determina mediante el rgimen de liberacin del calor por unidad de superficie de lecho. Cuando se tiene que reducir el lmite de emisiones, el diseo del sistema de combustin y su influencia en el perfil y volumen del hogar, se hace muy crtico y complejo. Para reducir las emisiones de NOx se pueden considerar no slo los quemadores de bajo NOx sino

Tambin se han desarrollado algunas tcnicas para la inyeccin de absorbentes destinados a reducir las emisiones de SO2. Cada una de estas tcnicas tiene su particular impacto sobre el tamao y configuracin del hogar. La altura del hogar se establece en base a diversos criterios: - Para combustibles limpios como el gas natural, el volumen y la altura del hogar se calculan para enfriar los productos de la combustin hasta una temperatura de gases a la salida del hogar que impida el posible recalentamiento de los tubos del sobrecalentador. - Para combustibles tipo carbn y algunos aceites, que contienen significativos niveles de ceniza, el volumen y la altura del hogar se determinan para enfriar los productos de la combustin hasta una temperatura de gases a la salida del hogar que evite el excesivo ensuciamiento de las superficies de conveccin. La altura del hogar se puede fijar tambin para facilitar el mnimo tiempo de residencia que precise la combustin completa, y para cumplimentar los requisitos mnimos de separacin desde los quemadores y portillas de NOx hasta la bveda y las superficies de conveccin. INFLUENCIA DE LA CENIZA Para el carbn y en menor grado en el aceite, una de las consideraciones extremadamente importantes es la ceniza presente en el combustible; si no se tiene en cuenta en el diseo o en el funcionamiento, se puede depositar en las superficies inclinadas de las paredes del hogar y en los bancos tubulares del paso de conveccin.



El hogar de ceniza slida se aplica a carbones con ceniza de alta temperatura de fusin; consiste en una solera en forma de tolva (cenicero), Fig. 8 y 10, y una superficie de refrigeracin; la ceniza que impacta sobre las paredes del hogar o sobre la solera es slida y seca, evacundose como partculas slidas. Cuando se quema carbn pulverizado en un hogar con ceniza seca, el 80% de la ceniza se arrastra por los gases a travs de los bancos tubulares de conveccin. Las caractersticas qumicas de la ceniza influyen en el volumen del hogar, necesario para lograr una satisfactoria operacin de la unidad; en la Fig. 13 se compara el volumen de un hogar para una caldera de 500 MW quemando carbn bituminoso o subbituminoso de baja escorificacin, con el que se requiere por otra unidad de igual potencia pero quemando lignito con un gran poder aglutinante (fcil escorificacin).

Fig. 13 Comparacin de calderas para diversos tipos de carbones: (a) 500 MW, carbn bitominoso y subbituminoso; ceniza poco escorificante; (b) 500 MW, lignito de Texas, cenizas muy escorificante

Con carbones que tienen cenizas con baja temperatura de fusin, es muy difcil emplear un hogar con cenicero seco, porque la ceniza (y en particular la escoria) que est fundida o en estado pastoso, se amontona formando grumos en las paredes del hogar o en la tolva del cenicero. Para manipular estos carbones, se ha desarrollado el hogar con ceniza fundida o con cenicero hmedo, cuya configuracin incorpora uno o varios combustores cicln. El hogar, formado por el recinto cicln y el hogar convencional residual, comprende una disposicin en dos escalones: - La parte inferior del hogar se mantiene a una temperatura suficiente para que la ceniza se vierta sobre la solera en forma lquida, conformndose una balsa de escoria lquida, que se drena hacia un tanque que contiene agua, en donde se procede a su troceado. - En la parte superior del hogar, los gases se enfran hasta una temperatura inferior a la del punto de fusin de la ceniza, de modo que sta (polvo) cuando se arrastra hacia los bancos tubulares de conveccin no provoca un excesivo ensuciamiento. Como consecuencia de las elevadas emisiones de NOx propias de los hogares con ceniza fundida, su diseo es poco frecuente en el proyecto de nuevas calderas.



Paredes refrigeradas por agua: la mayora de los hogares de calderas tienen paredes membrana refrigeradas por agua, Fig. 14. Esta construccin reduce el mantenimiento de las paredes del hogar, y reduce la temperatura de los gases que se dirigen hacia los bancos de conveccin, hasta un nivel en el que la deposicin de escoria y la corrosin en el sobrecalentador se pueda controlar mediante el equipo de soplado del holln. Para obtener la mxima absorcin de calor, los tubos de las paredes del hogar estn espaciados lo menos posible, a la vez que la temperatura de los tubos y de la membrana se mantienen dentro de lmites aceptables. Las paredes membrana estn constituidas por una fila de tubos cuyos ejes estn espaciados algo ms de un dimetro de tubo, y unidos entre s mediante una varilla membrana que se suelda por completo a los tubos adyacentes, configurando una superficie de pared continua, robusta y estanca, transmitiendo el calor de los gases del hogar a la mezcla agua-vapor que circula por el interior de los tubos. La construccin de paredes membrana con revestimiento refractario se utiliza en las paredes inferiores del hogar de unidades dotadas con combustores cicln destinadas a quemar basuras, y en unidades de lecho fluidificado.

Fig. 14 Construccin de la pared membrana en la zon de quemadores Superficie de conveccin de la caldera: En algunos diseos, las primeras filas de tubos que forman parte del banco de conveccin, se incluyen como tubos de caldera, los cuales estn bastante espaciados para as facilitar el paso de los gases y evitar la acumulacin de ceniza, mejorando la limpieza de las superficies termointercambiadoras cuando se utilizan combustibles sucios; configuran la pantalla de escoria o pantalla de caldera, y reciben el calor por: - Radiacin directa desde el hogar - Por radiacin y conveccin desde los gases de combustin que pasan a su travs Otra variante es utilizar pantallas de tubos refrigerados por agua o por vapor, ubicados en la parte superior del hogar; a veces se identifican como paredes divisorias, y facilitan una superficie adicional de caldera optimizando el tamao del hogar. En las grandes unidades de alta presin, estas pantallas de tubos situadas en el plano de salida del hogar, configuran la superficie del sobrecalentador; a la entrada del sobrecalentador la temperatura de los humos debe ser lo suficientemente alta para que se pueda alcanzar la temperatura deseada en el vapor sobrecalentado, con una suficiente superficie de caldeo y utilizando materiales econmicos. Las disposiciones indicadas en las Fig. 6 a 10, muestran configuraciones de superficie de sobrecalentador a la salida del hogar; para optimizar el diseo del sobrecalentador, en la parte alta del hogar se pueden incorporar pantallas de tubos o paredes divisorias ampliamente espaciadas y refrigeradas por vapor, Fig. 8 y 10. La Fig.15 muestra unas superficies de conveccin, en planta, con espaciados decrecientes, y la variacin en la temperatura media de los gases, conforme stos las atraviesan.



Fig. 15 Dispocicin esquemtica en plantas de superficies de conveccin y variacin de la temperatura media de los humos

El diseo de la superficie termointercambiadora de la caldera, aguas abajo del sobrecalentador, depende: - Del tipo de unidad (industrial o energtica) - De la cada de temperatura en los gases - De la prdida de tiro al paso de los humos a travs de la superficie termointercambiadora En el diseo de calderas con caldeo por conveccin, el objetivo consiste en combinar ciertos parmetros, como: - El dimetro y longitud de los tubos - El espaciado entre tubos - El nmero y orientacin de los tubos - Los deflectores que se provean del lado de gases con el fin de lograr la cada prevista de temperatura en los gases, y una prdida de tiro tolerable en el flujo de los mismos. En el diseo de las superficies de conveccin del lado de humos, la superficie termointercambiadora necesaria para un rgimen dado es inversamente proporcional a la cada de presin del lado de humos. Las modificaciones del diseo que aumentan la cada de presin, como la reduccin del espaciado entre tubos perpendicular al flujo, dan lugar a mayores regmenes de transferencia de calor, reducindose la superficie termointercambiadora para soportar la carga trmica total deseada. Para un rgimen dado de humos, cuando stos circulan en flujo cruzado, el coeficiente de pelcula, la absorcin de calor y la prdida de tiro son mayores que cuando lo hacen paralelamente a los tubos; el flujo de gases serpentea entre los bancos de tubos, lo que da lugar a una prdida de tiro mayor y a una mala distribucin del flujo, con poca mejora en la absorcin de calor.



Los cambios de direccin en el flujo que sale de un banco tubular situado aguas arriba y que entra en otro aguas abajo, se disean para que tengan resistencia mnima y ptima disposicin. COMPONENTES DEL GENERADOR DE VAPOR DE COMBUSTIBLE FOSIL Los modernos generadores de vapor estn constituidos por configuraciones de secciones termohidrulicas complejas, con flujos de vapor y agua, que calientan y vaporizan el agua, sobrecalientan el vapor; estas superficies de intercambio trmico se disponen de forma que: - El combustible se queme completa y eficientemente, minimizando las emisiones posibles - El vapor se genere a los valores especificados de caudal, presin y temperatura - La energa se recupere en la mayor cuanta posible Los principales componentes del sistema de generacin de vapor y la recuperacin del calor, incluyen: - El hogar y el paso de conveccin o zona recuperadora de calor - Los sobrecalentadores de vapor, primario y secundario - El recalentador de vapor - La caldera o banco vaporizador (en calderas industriales) - El economizador - El caldern de vapor - El atemperador y el sistema de control de la temperatura - El calentador de aire Componentes que estn formados por un nmero de equipos auxiliares, como: - Molinos de carbn - Sistema de combustin - Conductos de humos y aire - Ventiladores - Equipo de limpieza del lado de humos - Equipo de evacuacin de cenizas Hogar: Es un espacio libre, amplio y cerrado, para la combustin del combustible y la refrigeracin de los humos, antes de que entren en el paso de conveccin o zona de recuperacin. Una temperatura excesiva de los humos a la salida del hogar, hacia los bancos tubulares, puede provocar una acumulacin de partculas en el lado exterior de los tubos o una excesiva temperatura del acero de los mismos. La geometra y dimensiones del hogar dependen del combustible y del equipo de combustin. Las superficies intercambiadoras del sobrecalentador, recalentador y economizador se sitan en secciones horizontales y verticales, con flujo descendente de humos dentro del cerramiento de la caldera, constituyendo el paso de conveccin. En los modernos generadores de vapor, el hogar y las paredes del paso de convencin estn formadas por tubos de acero al C de baja aleacin, refrigerados por vapor o agua, para mantener la temperatura del metal tubular dentro de lmites aceptables. Los tubos se conectan por la parte inferior y por la superior, a colectores o distribuidores que renen o distribuyen el agua, el vapor o las mezclas vapor-agua. En la mayora de las unidades modernas, los tubos de las paredes del hogar sirven tambin como componentes para la generacin del vapor; van soldados entre s con varillas de acero interpuestas a lo largo de los mismos, formando las denominadas paredes membrana, que son estancas a gases, continuas y rgidas. Los tubos que configuran una pared membrana se construyen en paneles, transportables, con las

aberturas necesarias para instalar



Sobrecalentadores y recalentadores: Se disean en forma de bancos de tubos alineados que incrementan la temperatura del vapor saturado; son intercambiadores de una sola fase, con flujo de vapor por el interior y flujo de humos por el exterior, en flujos cruzados. Se fabrican con aceros aleados, por las altas temperaturas de operacin y estn configurados para controlar: - La temperatura de salida del vapor - El mantenimiento de la temperatura del metal dentro de lmites aceptables - La cada de presin en el flujo del vapor La diferencia principal entre un sobrecalentador y un recalentador radica en: - La posicin (primero el sobrecalentador) - En la presin del vapor En una caldera con caldern, si la presin de salida del sobrecalentador es de 180 bar, la presin de salida del recalentador sera de slo 40 bar. El diseo y ubicacin de las superficies (que pueden ser horizontales o verticales), depende de: - Las temperaturas de salida - La absorcin calorfica - Las caractersticas del combustible - Las peculiaridades del equipo de limpieza del lado de humos El sobrecalentador, (a veces tambin el recalentador), est dividido en mltiples secciones, para facilitar el control de la temperatura del vapor y optimizar la recuperacin del calor. Banco de caldera: La superficie intercambiadora del hogar puede resultar escasa para generar el vapor requerido por la aplicacin final, por lo que se puede aadir un banco de caldera o banco vaporizador, que es necesario en muchas calderas industriales pequeas (de baja presin), no sindolo en las de alta presin que equipan las plantas termoelctricas.

Las partes internas del caldern de vapor y el tamao de los tubos del banco vaporizador, se disponen de forma que el agua subenfriada descienda por el interior de los tubos ms alejados del hogar, hacia el caldern inferior (de agua); en ste, el agua se distribuye entre los dems tubos, a lo largo de los cuales se convierte parcialmente en vapor en su retorno al caldern superior. El caldern de agua se designa frecuentemente como colector de fangos, porque en l se tienden a depositar y recoger los sedimentos del agua de la caldera. Economizador: Es un intercambiador de calor de flujos en contracorriente que recupera la energa residual de los humos, aguas abajo del sobrecalentador, y del recalentador, incrementando la temperatura del agua del sistema que entra en el caldern de vapor. El banco tubular dispone de tubos en serpentn horizontales paralelos, con el flujo de agua por el interior de los tubos, en contracorriente con el flujo de los humos. El espaciado de los tubos tiene que ser el menor posible para facilitar: - El intercambio trmico - La limpieza de la superficie tubular exterior - Una cada de presin limitada en el lado de humos Normalmente no se genera vapor en los tubos del economizador.



Fig. 16 Caldera simple que quema carbn; esquema de circulacin aire-humos; el carbn

pulverizado se sopla hacia el interior del hogar, en el que se quema en suspensin. Caldern de vapor: Es un recipiente cilndrico de grandes dimensiones, con un dimetro de 0,91,8m y longitud que llega a los 30 m, ubicado en la parte alta de la caldera, en el que el vapor saturado se separa de la mezcla vapor-agua que sale de los tubos de la caldera. Se fabrican con virolas gruesas de acero laminado y fondos hemisfricos, y alojan los equipos de: - Separacin vapor-agua - Purificacin del vapor - Mezcla del agua de aporte y de los productos qumicos e, incluso, facilitan un limitado almacenamiento de agua para atender pequeos cambios instantneos de carga de la unidad. Las principales conexiones del caldern de vapor son: - Las que reciben ms mezclas vapor-agua desde los tubos de caldera - Las que evacan el vapor saturado, que suelen ser muy pocas en nmero - Las que aaden el agua de aporte al sistema, normalmente reducidas a una dos - Las que retoman el agua casi saturada y la llevan a la entrada de los tubos de caldera El diagrama de control de la temperatura del vapor incluye: a) La recirculacin parcial de los humos, bien hacia la parte baja del hogar (recirculacin de humos),



o bien hacia la parte superior del mismo (atemperacin de humos), desde el punto de toma ubicado al final del generador de vapor en el lado de humos b) Un ajuste adecuado del sistema de combustin, por modificacin de determinados parmetros c) Aplicacin de vapor o de agua de baja temperatura, al flujo de vapor de alta temperatura, que se conoce como atemperacin de vapor; el componente ms frecuente en este caso, que es el ms extendido en la vertiente del agua, se denomina atemperador atomizador. En las grandes unidades termoelctricas, para el control dinmico se usa (debido a su rapidez de respuesta), un atemperador de inyeccin directa de agua o de vapor, que est diseado para resistir el choque trmico propio del proceso; se ubica a la entrada del sobrecalentador o entre dos secciones del mismo, para controlar mejor y con ms seguridad la temperatura del metal tubular en la seccin de salida del sobrecalentador, que es donde el metal alcanza mayor temperatura. Calentador de aire: No forma parte de los circuitos agua-vapor, pero juega un papel importante en la transferencia de calor y en la eficiencia del sistema generador de vapor. En las calderas de alta presin, la temperatura de los humos a la salida del economizador es todava bastante alta, por lo que el calentador de aire recupera una gran parte de esta energa residual y la aade al aire comburente, para ahorrar as en consumo de combustible.

SISTEMAS DE FLUJOS Sistema del flujo agua-vapor: Los componentes del circuito agua-vapor se disponen para la consecucin del sistema ms econmico posible, con vistas a un determinado suministro continuo de vapor. El sistema de circulacin del flujo (excluido el recalentador) para una unidad de circulacin natural a presin subcrtica, con caldern, se presenta en la Fig I.15, que es la referencia para todo lo que sigue. El agua de alimentacin llega al colector inferior A del economizador y circula en ste hacia arriba, en sentido contrario al flujo de humos. El agua se recoge en el colector de salida B del economizador, que tambin puede estar situado dentro del flujo de humos. Finalmente el agua de alimentacin fluye por un determinado conjunto de tuberas (BCD), que conectan el colector de salida del economizador con el caldern de vapor D. A veces es conveniente disponer el recorrido de las tuberas (BC) a lo largo del paso de conveccin, hasta el colector de salida del economizador, que se ubica en la parte superior de la caldera. Estos tubos se utilizan como soportes refrigerados por vapor, para mantener el sobrecalentador horizontal (primario) y el recalentador, cuando estos bancos tubulares tengan vanos demasiado grandes, para poder soportarlos slo en sus extremos. Posteriormente, el agua de alimentacin se inyecta en el caldern de vapor D dentro del cual se mezcla con el agua descargada por los separadores vapor-agua, antes de que entre en las conexiones de los tubos bajantes (DE), hacia la parte inferior del hogar. Desde la parte baja del hogar, los tubos alimentadores (EF) llevan el agua a los colectores individuales F de cada una de las paredes membrana del hogar. El agua circulante asciende a continuacin por las paredes del hogar, alcanzando el colector de salida G y absorbiendo en este trayecto la energa trmica necesaria para transformarse en una mezcla vapor-agua. Estas mezclas abandonan los colectores de salida de las paredes del hogar, por medio de los tubos ascendentes (GD), para descargar en el caldern de vapor a travs de los separadores vapor-agua. El equipo de separacin retorna el agua, libre de vapor, hacia las conexiones de los tubos bajantes (DE). La humedad residual que pueda quedar en el vapor cuando sale de los separadores primarios, se elimina mediante separadores secundarios. El vapor ya completamente seco sale por las conexiones de salida (HI y HJ) en el caldern de vapor.



Fig. 17 Esquema de circulacin del agua-vapor en la caldera que quema carbn. El conjunto de los circuitos de vapor tiene dos funciones: - La refrigeracin del cerramiento correspondiente al paso de conveccin - La generacin de vapor sobrecalentado, con las condiciones requeridas El vapor seco procedente del caldern pasa a travs de mltiples conexiones hasta un colector I, que alimenta los tubos del techo del recinto de la unidad, y alcanza tambin unos colectores J, que alimenta el conjunto de paredes membrana del paso horizontal de conveccin. A continuacin el vapor fluye por las paredes membrana de las paredes, hasta que alcanza los colectores de salida K; el vapor procedente de los colectores K y el que viene de los colectores L de salida de los tubos del techo, facilita la refrigeracin del cerramiento del paso vertical de conveccin (LM). Este vapor desciende por los paneles del cerramiento y se recoge en los colectores de salida M, aguas arriba del banco correspondiente al economizador, en el lado de los humos. Posteriormente, el vapor asciende por el sobrecalentador primario hasta su colector de salida N, desde el cual se dirige al colector P de entrada al sobrecalentador secundario, por medio de tuberas de conexin equipadas con un atemperador atomizador O. El vapor sale del sobrecalentador secundario por su colector de salida Q. Finalmente, el vapor sobrecalentado se saca al exterior R del generador de vapor, por medio de una tubera que atraviesa el cerramiento de la unidad y se conduce por una tubera de vapor principal hasta las vlvulas de control y la turbina de vapor. Sistemas de combustin y auxiliares: En los generadores de vapor que queman carbn, la mayora de los componentes no integrados en el sistema de vapor y sus auxiliares, forman parte de sistemas de preparacin del combustible y de la combustin , pudindose citar los siguientes: - Preparacin de combustible: alimentadores y pulverizadores de carbn - Sistemas de combustin: quemadores, detectores de llama, ignitores, controles, cajas de aire, etc - Manipulacin de aire/humos: ventiladores, conductos de aire, conductos de humo, cortatiros, sistemas de medida y control, silenciadores, etc



- Otros componentes y auxiliares: sopladores (equipo de limpieza de superficies intercambiadoras, lado humos), equipo de captacin y manipulacin de ceniza, equipo de control y monitorizacin El sistema de combustin tiene una gran influencia sobre el diseo global del hogar. Los quemadores habituales, generalmente dispuestos en paredes, se pueden ver en la Fig.16. Todas las unidades modernas que queman carbn, aceite o gas, estn dotadas con quemadores montados en paredes, aunque tambin se utilizan otros sistemas de combustin, como: - Diversos tipos de hogares mecnicos - Hogares ciclones - Unidades de combustin en lecho fluidificado en los que hay que procurar: - El control de la formacin y emisin de posibles contaminantes - Una combustin completa - Manipular la ceniza contenida en el combustible Las caractersticas del combustible juegan un papel fundamental frente a cmo se pueden cumplimentar estas funciones, y en el diseo y dimensionamiento de cada componente del equipo. Circuito del flujo de gases: En una planta generadora de electricidad, para una caldera grande que queme carbn, en la Fig.16 se pueden ver algunos de los auxiliares de este sistema, que se identifican a lo largo del recorrido del flujo de aire y humo. El aire se suministra por un ventilador de tiro forzado A, que lo impulsa hacia el calentador de aire B, en el que se calienta para recuperar calor y mejorar la combustin. La mayor parte de ese aire (secundario) (70 a 80%), pasa directamente a las cajas de aire C desde las que se distribuye a cada uno de los quemadores. El resto del aire (primario) soplado por A (20 a 30%), pasa a un ventilador que lo enva a los molinos D, en los que el carbn se seca y pulveriza convenientemente; este aire primario caliente transporta neumticamente el carbn seco y pulverizado a los quemadores E, en los que se mezcla con el aire secundario y el carbn, para lograr una combustin completa. El carbn y el aire (primario y secundario) forman una mezcla que se quema rpidamente en el hogar F, ascendiendo los gases de combustin hacia la parte superior del hogar. Durante esta ascensin, los humos se refrigeran fundamentalmente por radiacin hasta que alcanzan la salida G del hogar. Posteriormente los humos cruzan, el sobrecalentador secundario, el recalentador, el sobrecalentador primario y el economizador, antes de abandonar el cerramiento H del generador de vapor. Finalmente, los humos pasan a travs del calentador de aire B, y de algn que otro equipo de control de contaminacin, para llegar al ventilador de tiro inducido I, previo a su evacuacin a la atmsfera. SEPARACION VAPOR-AGUA Las calderas y generadores de vapor que operan a presin subcrtica y con recirculacin, estn equipados con grandes recipientes cilndricos llamados calderines. El objetivo de un caldern es facilitar la separacin del vapor saturado, a partir de la mezcla agua-vapor que sale de las superficies termointercambiadoras encargadas de la vaporizacin. El agua, libre de vapor, se recircula con el agua que alimenta las superficies intercambiadoras, para la posterior generacin del vapor. El vapor saturado se descarga a travs de una serie de conexiones de salida, para su utilizacin directa o un posterior sobrecalentamiento. El caldern de vapor sirve tambin para: - Mezclar el agua de alimentacin con el agua saturada que queda, una vez separada de la mezcla agua-vapor - Mezclar los productos qumicos que se usan para el control de la corrosin y acondicionamiento del agua de la caldera - Purificar el vapor separado de la mezcla agua-vapor, de contaminantes y humedad residual - Purgar parte del agua de la caldera con el fin de controlar la qumica y el contenido de slidos disueltos en la misma



- Facilitar el almacenamiento de agua en el interior de la caldera, que permita rpidos cambios de carga en el generador de vapor La funcin principal del caldern es facilitar la separacin entre el vapor y el agua, que se puede realizar con relativa facilidad, por alguno de los dos procedimientos siguientes: - Se dispone de una gran superficie de contacto vapor-agua, para la separacin natural por gravedad - Se dispone de un volumen suficiente para instalar equipos mecnicos de separacin En la mayora de las aplicaciones de calderas, la alta eficiencia en la separacin del vapor y del agua resulta crtica con el fin de: - Impedir el arrastre de gotitas de agua hacia el sobrecalentador, al que podran producir daos trmicos importantes. - Minimizar la succin de vapor por el agua separada, ya que el vapor residual en el agua puede reducir la altura de bombeo hidrulico - Prevenir el arrastre de slidos disueltos en las gotitas que puede transportar el vapor hacia el sobrecalentador y turbina, que pueden formar incrustaciones peligrosas, lo que es de importancia porque el agua de la caldera contiene siempre contaminantes en disolucin Con niveles bajos de slidos en el vapor, menos de 0,6 ppm, se pueden producir daos en el sobrecalentador o en la turbina de vapor. Estos contaminantes pueden proceder de: - Las impurezas que contiene el agua de aporte - Los productos qumicos utilizados en el tratamiento - Las fugas en el sistema de agua de circulacin que refrigera el foco fro - Los contaminantes propios de los equipos de la caldera La solubilidad de estos slidos en el vapor es una pequea fraccin de la que corresponde al agua, por lo que una pequea cantidad de gotitas de agua (> 0,25% en peso) arrastradas por el vapor, puede dar lugar a un mayor e importante arrastre de slidos y a incrustaciones inadmisibles en el sobrecalentador y turbina, que pueden causar daos ya que al aumentar la temperatura del metal, ste se puede deformar y quemar. En las Fig. 18 se presenta la seccin recta de diversos calderines de vapor horizontales de una caldera de potencia que quema combustible fsil, observndose la disposicin de: - Las placas de pantalla - Los ciclones separadores primarios - Los elementos separadores secundarios y filtros - Las bajantes de agua, tubos descendentes - Las entradas del agua de alimentacin. La separacin vapor-agua tiene lugar en dos etapas: - En la primera se separa casi todo el vapor de la mezcla agua-vapor, de modo que es muy poco el vapor recirculado desde el fondo del caldern hacia los tubos del vaporizador, a travs de los tubos bajantes - En las calderas de alta presin, el vapor que sale de los separadores primarios contiene demasiado lquido en forma de gotitas de agua saturada de contaminantes, por lo que ese vapor no satisface las caractersticas funcionales establecidas para el sobrecalentador y turbina, sometindole a una segunda etapa, pasando a travs de un segundo grupo de separadores para conseguir la eliminacin final de las gotitas residuales de agua; estos separadores secundarios estn constituidos por chapas placas corrugadas onduladas muy poco espaciadas entre s, que conforman un rociador de agua



pura desmineralizada y atomizada en el flujo de vapor que circula entre los separadores primarios y secundarios.

Fig. 18 Calderines de vapor Tras las etapas precedentes, el vapor sale del caldern a travs de varias tuberas, operacin que viene afectada por la actuacin de los separadores primarios, lavadores y separadores secundarios y por la disposicin general que tiene el propio caldern de vapor.



Factores que afectan a la separacin del vapor: La separacin del vapor contenido en la mezcla agua-vapor, depende de determinados factores de diseo y parmetros de funcionamiento de la unidad, como: - La presin de diseo - La longitud y dimetro del caldern - El rgimen de generacin de vapor - El ttulo medio del vapor que entra en el caldern - El tipo y disposicin de los separadores mecnicos - El suministro de agua de alimentacin - La disposicin del equipo de descarga del vapor, - La disposicin de las conexiones caldern-bajantes - La disposicin de las conexiones tubos ascendentes-caldern. Los parmetros de funcionamiento que influyen en la separacin del vapor, a partir de la mezcla agua-vapor, se concretan en: - La presin de operacin - La carga de la caldera, caudal msico de vapor - El tipo de carga de vapor - El anlisis qumico del agua de caldera - El nivel de agua en el caldern Un equipo de separacin primaria adopta uno de los tres procedimientos siguientes: - Separacin natural, activada por la fuerza de la gravedad - Separacin asistida, por medio de deflectores - Separacin mecnica, de alta capacidad Separacin natural: Aunque tericamente el concepto es muy simple, en la prctica la separacin primaria natural de vapor-agua es bastante compleja, dependiendo de: - Las velocidades de entrada y de la ubicacin de tales entradas - La calidad promedia del vapor y del agua - El desprendimiento entre el vapor y el lquido en la superficie nominal del agua Para una generacin de vapor baja saliendo de la superficie del agua, hasta una velocidad de 3 ft/s (0,9 m/s), hay tiempo suficiente para que las burbujas de vapor se separen de la mezcla por la accin de la gravedad, sin que stas resulten arrastradas hacia las conexiones de descarga del agua, y sin que en la salida del vapor se presente un arrastre de gotitas de agua, Fig. 19a. Para una generacin de vapor elevada, el tiempo disponible para la separacin es insuficiente para lograr cualquiera de los objetivos propuestos, Fig. 19b; en este caso, el intenso movimiento de las burbujas de vapor en la mezcla, puede provocar una falsa indicacin del nivel de agua en el caldern, tal como se representa.



Fig. 19 Efecto del rgimen de vaporizacin sobre la separacin del agua-vapor en caldern de

vapor sin aparatos separadores.

Fig. 20 Efecto de la ubicacin de los tubos de descarga ascendentes sobre la separacin de vapor

en caldern sin aparatos separadores. La influencia de la ubicacin de las conexiones de tubos ascendentes o de entrada de la mezcla agua-vapor, con respecto al nivel del agua, se representa en la Fig.20 a y b. Utilizando slo la gravedad como fuerza de accionamiento para la separacin, no existe ninguna disposicin aceptable para lograr los resultados deseables de separacin en un caldern, ya que desde un punto de vista econmico, el dimetro de un nico caldern podra ser prohibitivo. Para resolver esta limitacin se usan varios calderines de vapor ms pequeos, como muestra la Fig. 21a. En la mayora de las aplicaciones de calderas, la separacin natural motivada nicamente por la gravedad es antieconmica, precisando siempre de una separacin asistida o mecnica. Separacin primaria asistida por deflectores.- Para mejorar el proceso de la separacin vapor-agua, resulta siempre til disponer de unas simples rejillas o deflectores; en la Fig. 21 se representan tres disposiciones de deflectores que aumentan y potencian cualquier proceso de separacin activado por la fuerza de la gravedad en los puntos siguientes: - Cambios en la direccin del flujo



- Ms distribucin de la mezcla agua-vapor - Resistencia adicional al flujo - Recorrido mximo en el trayecto del vapor

Fig. 21 Tipos simples de separadores primarios de vapor en calderines

a) Tabique deflector; b) Tabiques deflectores alternativos; c) Tabique de compartimentacin. En algunos casos se han utilizado combinaciones de placas perforadas con deflectores convencionales. Las caractersticas de funcionamiento de estos aparatos se determinan experimentalmente, estando limitada su utilizacin a calderas pequeas de poca capacidad de generacin de vapor. Separadores mecnicos: En los modernos separadores vapor-agua se emplea la fuerza centrfuga; en la Fig. 22 se representan esquemticamente tres tipos de separadores primarios de vaporagua, identificados como: - Cicln cnico - Cicln de brazos curvados - Cicln horizontal En la Fig. 23 se observa el separador de vapor tipo cicln vertical. Los ciclones verticales se disponen internamente en filas, a lo largo de la longitud axial del cilindro que constituye el caldern, y las mezclas agua-vapor se admiten tangencialmente, como indica la Fig. 18. El agua forma una pelcula contra las paredes cilndricas del cuerpo del equipo ciclnico, mientras que el vapor se mueve hacia el ncleo de dicho cilindro y, posteriormente, hacia arriba; dentro del cilindro separador, el agua fluye hacia abajo y se descarga por el fondo, a travs de un anillo, bajo el nivel de agua sumergido en el caldern de vapor. El agua que procede de la almacenada en el caldern, que est exenta de burbujas, y que se dirige hacia los tubos bajantes, dispone de una altura mxima de bombeo para la produccin del flujo circulante en los distintos circuitos de la unidad generadora de vapor. El vapor que dentro del cicln se mueve hacia arriba, pasa a continuacin a travs de un pequeo separador primario de chapas



corrugadas, situado en la parte superior del cicln Fig. 23, para conseguir una separacin adicional, de forma que para un gran nmero de calderas, ya no se precisa una separacin posterior. Cuando se prevn amplias fluctuaciones de carga y variaciones en los anlisis del agua, en la parte alta del caldern se instalan lavadores-separadores secundarios de chapas corrugadas, Fig. 18, que proporcionan una gran superficie de secado que intercepta las gotitas de agua, conforme el vapor fluye sinuosamente entre los paquetes de chapas corrugadas cuidadosamente colocadas. La velocidad del vapor a travs del conjunto de chapas corrugadas de un separador secundario es muy baja, de modo que no es posible un arrastre de agua en forma de gotitas. El agua recogida en este separador se drena desde la parte baja del conjunto, hacia la masa de agua que contiene el caldern. En los grandes calderines de vapor se llegan a instalar hasta 4 filas de ciclones separadores, con el correspondiente espacio de acceso a los mismos.

Fig. 22 Tipos de separadores primarios vapor de agua.

Fig. 23 Separador cicln vertical.



Para calderas ms pequeas a bajas presiones, por ejemplo, a 100 psi (6,9 bar), la separacin de vapor limpio con una o dos filas de separadores, es del orden de 4.000 6.000 lb/h, por cada ft de longitud axial de caldern, (1,7 2,4 kg/s.m) . Cuando se trata de unidades con presiones prximas a 1.050 psi (72,4 bar) las cifras anteriores suben a 9.000 14.000 lb/h.ft = (3,7 6,2 kg/s.m). Para grandes calderas, de las que equipan las unidades de centrales elctricas, operando a 2.800 psi (193,1 bar), la separacin puede llegar a regmenes del orden de 67.000 lb/h.ft de vapor (28 kg/s.m), para 4 filas de separadores ciclnicos. La combinacin de separadores y, en su caso, de lavadores, facilita un vapor con un contenido de slidos inferior a 1 ppm, para una amplia gama de condiciones operativas. Sin embargo, se puede necesitar un refino final en la purificacin del vapor, cuando haya que eliminar sales del agua de la caldera, como la slice, que resulta arrastrada por el vapor en estado coloidal como consecuencia del mecanismo de vaporizacin; para este fin se utiliza un lavado del vapor con agua condensada, o con agua de alimentacin y, en general, con agua del ciclo que tenga una pureza aceptable, que se lleva a efecto por medio de un rociado de agua sobre el vapor antes de que ste entre en los separadores secundarios secadores. Caractersticas funcionales del separador mecnico: Las condiciones de funcionamiento de un separador mecnico de vapor, son: - El caudal mximo de vapor que admite cada cicln, con una calidad media de entrada y con un lmite de arrastre de gotitas de agua - La prdida de carga Tambin hay que especificar el mximo arrastre de vapor (% en peso) que se puede esperar hacia los tubos bajantes, en las condiciones de funcionamiento consideradas.

Tabla 2 Tendencias de opraciones caractersticas en separadores mecnicos

Los parmetros funcionales de los separadores mecnicos de vapor estn influenciados por, o dependen de: - El rgimen de caudal total - La presin de operacin - La longitud axial del separador - Las dimensiones de las correspondientes aberturas - El nivel de agua en el caldern de vapor - La calidad del vapor a la entrada del separador - El separador final en el interior del caldern de vapor - La disposicin general del caldern de vapor Las caractersticas funcionales dependen de las especificaciones particulares de los diversos componentes del equipo. Las tendencias generales se presentan en la Tabla 2.



Evaluacin del separador de vapor.- Un anlisis terico no permite predecir satisfactoriamente las caractersticas funcionales de un separador mecnico de vapor-agua, por lo que para su caracterizacin se han llevado a cabo extensas investigaciones experimentales. La cada de presin del flujo en dos fases a travs de un separador mecnico es compleja; su

evaluacin se puede aproximar utilizando el multiplicador: , del modelo de dos fases y el coeficiente adimensional de prdida KSS, que para cada diseo de separador depende slo de la presin, estando relacionados en la forma:

El mximo caudal de vapor por cada separador primario, define el nmero mnimo de unidades separadoras que se necesitan, mientras que p se emplea en los clculos de circulacin de la caldera. VOLUMEN DEL CALDERN DE VAPOR El caldern de vapor de la caldera se dimensiona con el fin de: - Alojar el nmero necesario de separadores con el que se pueda atender la carga mxima de la caldera, es decir, el mximo rgimen continuo de generacin de vapor - Permitir las posibles variaciones del nivel del agua que se presentan durante los cambios de carga El dimetro y longitud del caldern de vapor se ajustan para cumplimentar las necesidades de espacio requeridas con el mnimo coste posible; en su diseo, un lmite lo constituye la succin mxima de arrastre de vapor por el agua separada hacia los tubos bajantes; sta succin no es conveniente, porque disminuye la fuerza disponible para el bombeo, al reducir la densidad de la masa presente en la parte inferior de los tubos bajantes. Las caractersticas de la succin dependen de los parmetros funcionales y de diseo siguientes: - La disposicin fsica del caldern - La presin de operacin - La entalpa del agua de alimentacin - El rea de la superficie libre del agua - El nivel de agua en el propio caldern - La eficiencia rendimiento de los separadores En el clculo de la circulacin del generador de vapor se fijan unos factores empricos de correccin que se utilizan para calcular el vapor que entra en los tubos bajantes. A veces, el vapor arrastrado condensa por completo tras un pequeo recorrido dentro del tubo bajante; no obstante, la densidad media en la parte alta del tubo bajante es siempre menor que la que corresponde al equilibrio trmico. Un rpido incremento en la demanda de vapor se acompaa siempre de una cada de presin transitoria, hasta que la combustin se incrementa lo suficiente; durante este transitorio, el volumen de vapor que hay en la caldera aumenta y se eleva el nivel del agua en el caldern de la caldera. Cuando en una unidad generadora de vapor se hace frente a una variacin de la demanda de vapor,



el aumento transitorio de nivel depende bsicamente de dos sistemas de regulacin: - La velocidad y magnitud de la variacin de la carga de vapor demandada al generador de vapor - El gradiente de velocidades conque se modifiquen los aportes de calor y agua, para atender la nueva carga demandada Los calderines de vapor se disean para facilitar el volumen mximo necesario, en combinacin con los controles y el equipo de combustin, a fin de evitar un excesivo aumento del flujo de agua hacia los separadores, lo que impide al mismo tiempo el arrastre de agua por el vapor. CIRCULACION El objetivo del circuito agua-vapor es facilitar que la salida del vapor se haga en las condiciones especificadas de presin y temperatura. Este circuito asegura una refrigeracin efectiva de las paredes tubulares en condiciones de diseo y, en el supuesto de que la unidad se mantenga en servicio, mediante una explotacin adecuada. Se han desarrollado diversos sistemas de circulacin en caldera, algunos de los cuales se ilustran en la Fig. 24, clasificndose en dos grandes grupos: - Sistemas con recirculacin - Sistemas de paso nico

Fig. 24 Sistemas de circulacin comunes para calderas de combustible fsil.


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