Upload
joaquinharfield
View
231
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
8/10/2019 Generador de vapor.docx
1/49
8/10/2019 Generador de vapor.docx
2/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
1
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Introduccin
El generador de vapor es un dispositivo fundamental de toda mquina trmica, de
su adecuado funcionamiento depende gran parte de la eficiencia total del sistema al que
se encuentra acoplado.
El objetivo del presente informe tcnico de campo es lograr un entendimiento
integral de los generadores de vapor. En primer lugar se estudiar las partes constitutivas
y el funcionamiento de un generador de vapor simple, que servir de ejemplo para
interpretar los parmetros tpicos o normalizados. Luego se clasificarn los generadores
de vapor segn sus detalles constructivos y se especificarn que ventajas y desventajas
acarrea cada uno de ellos. Por ltimo se dar una nocin de dos aspectos importantes
para el funcionamiento del equipo que son: el tratamiento de agua de alimentacin y el
tiro.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
3/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
2
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Concepto general
El generador de vapor es una parte de una mquina trmica cuya funcin es
convertir agua en vapor a una presin y temperatura predeterminada. Este cambio fsico
se produce por la transmisin de calor, proveniente de la combustin de una sustancia, al
agua. El objetivo del generador de vapor es generar vapor sobrecalentado con la mayor
eficiencia posible. Su parte principal es la caldera, pero adems est constituido por otros
elementos que fueron diseados, y mejorados, a lo largo de los aos para lograr un mejor
rendimiento energtico y para minimizar el mantenimiento del equipo.
Partes constitutivas de un generador de vapor
Caldera
La caldera es la parte principal del generador de vapor, es el lugar fsico donde se
convierte el agua en vapor. Est compuesta de un cuerpo cilndrico de chapa de acero
hermticamente cerrado y expuesto, directamente a la accin de las llamas y de los gases
calientes. Dicho cilindro contiene un determinado volumen de agua, llamado cmara de
agua, que recibe el calor que le ceden los productos de la combustin a travs de las
chapas. El agua que se vaporiza ocupa la parte superior del cuerpo cilndrico de la
caldera o cmara de vapor.
El plano de separacin entre el agua y el vapor, o sea el espejo de agua, constituye
el nivel de la caldera o nivel de agua; este nunca debe dejar al descubierto aquellas
partes de la caldera que se encuentran en contacto con la llama o con los gases calientes
por el peligro que ello implica, el recalentamiento de las chapas con posibilidad de
explosin.
Domo
En la caldera puede existir un domo que permite instalar la toma de vapor alejada
del nivel de agua, para que as, el vapor que sale de la caldera arrastre la menor cantidad
posible del agua que proyecta la ebullicin, es decir, se trata de obtener vapor lo ms
seco posible, de ttulo prximo a la unidad.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
4/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
3
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Conductos de humo
Son los espacios por los cuales circulan los humos y gases calientes de la
combustin. De esta forma, se aprovecha el calor entregado por estos para calentar elagua y/o producir vapor. El humo y los gases calientes pueden circular por el tiro natural
de la chimenea o de forma forzada por medio de ventiladores.
Hogar
Un hogar es una cmara donde se efecta la combustin. La cmara confina los
productos de la combustin y debe resistir las altas temperaturas que se presentan y las
presiones que se utilizan.Sus dimensiones y geometra se adaptan a la velocidad de liberacin de calor, al
tipo de combustible y al mtodo de combustin, de tal manera que se haga lo posible por
tener una combustin completa y se proporcione un medio apropiado para eliminar las
cenizas.
Los hogares enfriados por agua, se utilizan en la mayor parte de las unidades de
caldera y para todos los tipos de combustibles y mtodos de combustin. El enfriamiento
por agua de las paredes del hogar reduce la transferencia de calor hacia los elementosestructurales y como consecuencia puede limitarse su temperatura a la que satisfar los
requisitos de resistencia mecnica y resistencia a la corrosin.
Las construcciones de tubos enfriados por agua, facilitan el logro de grandes
dimensiones del hogar, y ptimas de techos, tolvas, arcos y montajes de los quemadores,
as como el uso de pantallas tubulares, planchas o paredes divisorias para aumentar la
superficie absorbente del calor en la zona de combustin. Tambin reducen las prdidas
del calor al exterior.Las temperaturas del gas de salida del hogar, varan considerablemente cuando se
quema carbn, debido al efecto de aislamiento de los depsitos de ceniza y escoria sobre
las superficies de absorcin de calor. La cantidad de superficie es el factor ms
importante en la absorcin global de calor en el hogar y por tanto el calor liberado y
disponible para absorcin por hora y por pie cuadrado de rea absorbente efectiva es una
base satisfactoria para establecer una correlacin.
Las paredes del hogar deben estar soportadas de forma adecuada tomando en
cuenta la expansin trmica con montantes de refuerzos para resistir las fuerzas laterales
8/10/2019 Generador de vapor.docx
5/49
8/10/2019 Generador de vapor.docx
6/49
8/10/2019 Generador de vapor.docx
7/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
6
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Para este objeto se utilizan materiales aislantes, tales como lana de vidrio
recubierta con planchas metlicas y asbestos.
ChimeneaEs el conjunto de salida de los gases y humos de la combustin para la atmsfera.
Adems tiene como funcin producir el tiro necesario para obtener una adecuada
combustin.
Economizador
Es un elemento que se instala en los generadores de vapor con el objeto deaprovechar parte del calor de los gases de combustin para calentar el agua de
alimentacin antes de que pase al colector de la caldera. Es un intercambiador de calor
formado por un sistema de conductos por cuyo interior circula el agua de alimentacin y o
el vapor, y por su exterior los gases de combustin.
Sobrecalentador
Este se introduce en los generadores de vapor con el objeto de transformar elvapor saturado en vapor sobrecalentado, evitando que se condense dentro de la mquina
de vapor y oxide sus rganos.
Son tambin simples intercambiadores de calor que agregan al vapor energa
calrica necesaria para sobrepasar la temperatura de saturacin, a la presin dada, y
transformarlo en vapor sobrecalentado.
Los sobrecalentadores pueden ser:
De conveccin, cuando toman la energa calrica de los gases de lacombustin.
De radiacin, cuando estn directamente expuestos a la energa radiante de
las llamas del hogar y el calor lo reciben por radiacin.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
8/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
7
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Elementos auxiliares de las calderas
La vlvula de seguridad, para permitir el escape del vapor cuando la presin
llega a cierto lmite.
El manmetro, que indica la presin del vapor dentro del cuerpo cilndrico El indicador de nivel, que visualiza el nivel del agua dentro del cuerpo
cilndrico
La entrada del hombre, es una abertura ubicada en el cuerpo cilndrico, que
permite efectuar su limpieza y reparacin.
El calentador de aire, que es tambin un intercambiador de calor que
aprovechando el calor de los gases de combustin, calienta el aire fresco antes de que
entre al hogar. La introduccin de aire caliente en el hogar aumenta la temperatura deesta y, en consecuencia, aumenta la transmisin de calor radiante de la caldera. Los
calentadores de aire pueden ser de conveccin o recuperadores, o regenerativos.
Fig. 1 Esquema general de un generador de vapor
8/10/2019 Generador de vapor.docx
9/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
8
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Funcionamiento
Funcionan mediante la transferencia de calor, producido generalmente al quemarse
un combustible, el que se le entrega al agua contenida o que circula dentro de unrecipiente metlico.
En toda caldera se distinguen dos zonas importantes:
a) Zona de liberacin de calor u hogar o cmara de combustin: es el lugar donde
se quema el combustible. Puede ser interior o exterior con respecto al recipiente metlico.
Interior: El hogar se encuentra dentro del recipiente metlico o rodeado de paredes
refrigeradas por agua.
Exterior: hogar construido fuera del recipiente metlico. Esta parcialmente rodeadoo sin paredes refrigeradas por agua.
b) Zona de Tubos: es la zona donde los productos de la combustin (gases o
humos) transfieren calor al agua principalmente por conveccin (gases-agua). Est
constituida por tubos dentro de los cuales pueden circular los humos o el agua.
El agua se impulsa al generador de vapor mediante la bomba de alimentacin, la
que la hace circular de forma forzada por el economizador. La funcin del mismo es
calentar el agua, generalmente hasta una temperatura inferior a la de saturacin
correspondiente a la presin a la que se encuentra el agua; esto se hace con el objetivo
de que el agua no entre fra a la caldera y evitar contracciones que pueden provocar
rotura. El agua entra a la caldera despus de salir del economizador; aqu se produce la
separacin del vapor y el agua. Se forma entonces en el interior del de la caldera una
mezcla de vapor y agua que asciende por la disminucin de su densidad. Se acumula la
mezcla agua-vapor al domo. En el domo, el vapor se separa del agua acumulndose en la
parte superior de donde es extrado para ir a los sobrecalentadores. Los
sobrecalentadores de vapor tienen la funcin de hacer que el vapor adquiera una
temperatura superior a la de saturacin, correspondiente a la presin a que se
encuentran, para que salga del generador con mayor entalpa. El agua que no pas a
vapor cae de nuevo al cilindro y se repite el ciclo.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
10/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
9
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Superficie de calefaccin
La superficie de calefaccin de se define como la superficie a travs de la cual se
transmite calor al agua o vapor. Es la superficie expuesta, por una parte, a los gases que
sirven para la calefaccin y, por la otra, en contacto con el agua. Se pueden dividir en:
Superficie de transmisin por conveccin: es la superficie que recibe calor
de los gases de combustin
Superficie de transmisin por radiacin: es la superficie que recibe calor
directamente de las llamas
La superficie de calefaccin debe aprovechar al mximo el calor generado en el
hogar para lograr el mejor rendimiento energtico posible. Su tamao est limitado por
razones de economa, peso y de temperaturas admisibles.
Potencia Normalizada de Caldera
Para expresar la capacidad de un generador de vapor lo ms correcto es referirse a
los kilogramos de vapor producidos por hora, indicando su presin y temperatura como
as tambin la temperatura del agua de alimentacin.
Se suele hablar del HP de caldera, que A.S.T.M. (Asotiation Society Testing
Materials = Asociacin de Sociedades de Ensayos de Materiales) define como la cantidad
de calor necesaria para vaporizar 34,5 Ib/h de agua a 272F, hasta vapor saturado a igual
temperatura.
Por lo tanto:
1 HP Caldera = 34,5 Lb/h . 971,7 BTU/Lb . 0,252 Kcal/BTU
1 HP Caldera = 8442 Kcal/h
Para calcular la potencia de una caldera, Nc en HP caldera, hacemos:
G = Produccin de vaporen Kg / h.
hv = entalpa del vapor en Kcal / Kg.
hl = entalpia del lquido en Kcal / Kg.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
11/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
10
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Balance Trmico de un Generador de Vapor
El balance trmico de un generador de vapor es una de las caractersticas
fundamentales que permite apreciar correctamente el rendimiento y economa de su
explotacin. Se refiere este balance trmico a 1 Kg de combustible slido o lquido y a 1
Nm 3 (Nm 3 = Normal m 3, referido a las condiciones normales de P y T, o sea: T = 20 C y P
= 1013,25 HPa) de combustible gaseoso en el funcionamiento de la instalacin en
rgimen permanente, o sea, estacionario.
Se obtiene el balance trmico de una caldera estableciendo la igualdad entre el
calor suministrado a la instalacin, es decir, el calor disponible y la suma del calor
utilizado ms las prdidas de calor; en otras palabras, consiste en establecer la
distribucin porcentual o en cantidad, del calor resultante de la combustin de un
combustible, o sea, en deducir el valor de la cantidad de calor que absorbe el generador y
el valor de cada una de las prdidas calorficas, determinando el rendimiento de la caldera
y el valor de la prdidas calorficas debidas a distintas causas. Por lo tanto:
Datos:
P s : (Poder calorfico superior del combustible).
P h: (Produccin horaria de vapor de la caldera en Kg/h).
C c: (Cantidad horaria de combustible en Kg/h).
P vs : (Presin de vapor sobrecalentado).
Tvs : (temperatura de vapor sobrecalentado).
Tg: (Temperatura de los gases a la salida de la chimenea).
Tma : (Temperatura ambiente).
Tagua : (Temperatura del agua de alimentacin).
: (Humedad relativa ambiente).
Anlisis elemental del combustible.
Anlisis de los gases de combustin (interesa en este anlisis el % de
Co y el % de CO 2).
Anlisis de residuos.
Humedad de saturacin.
Los valores de las distintas prdidas y del calor aprovechado se expresan siempre
en Kcal/Kg de combustible, para que resulten comparables con el Ps.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
12/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
11
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
1) Calor transmitido al agua Q 1 - en Kcal / Kg. de combustible
avV hhGQ 1 Gv = vaporizacin especfica (produccin de vapor por unidad de combustible),
tambin se calcula como Gv = Ph / Ch. - h v se obtiene de Mollier y h a de las tablas devapor de agua.
El rendimiento de la caldera, o sea, el porcentaje de Ps transmitido al agua ser:
100.% 1
S P Q
2) Calor perdido por los gases secos de la combustin - Q 2 - en Kcal de gases secos /
Kg combustible.
Los gases que salen por la chimenea son: CO 2 CO (Si la combustin fueracompleta CO no aparecera) - N 2 y SO 2 (gases secos) + H 2O (humedad), luego:
magps T T C GgsQ ..2 Siendo:
Ggs = masa de gases secos en Kg gases / kg combustible
Cps = calor especfico de los gases secos = 0,24 Kcal / kg. C
Tg = Temperatura de los gases despus del precalentador de aire
Tma = Temperatura del medio ambiente
Como ingresa aire ms combustible, tenemos que restar cenizas y masa de vapor
de agua que salen con los gases de escape, o sea:
OHaegs 2G-Z-comb.kg1GG
Siendo:
Gae = Masa de aire con exceso, se calcula por balance de combustin, en Kg aire /
kg comb.Z = cenizas en Kg cenizas / Kg comb. (es dato)
Gae = Masa de vapor de agua que sale con los gases, o sea: G H20 = 9 Kg agua /
Kg Hidrgeno ( H 2O = 18 / 2 = 9 - 2 es el M H 2)
1 = Kg comb. / Kg comb. Se suma por que se tienen Kgs de aire por cada
Kg de combustible. Luego, La masa de agua debida al H 2 del combustible ser:
GH20h = 9 . h (Kg H2 / Kg comb)
La masa de agua total, ser:
8/10/2019 Generador de vapor.docx
13/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
12
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
GH20 = 9 h + hu (Kg H 2O / Kg comb.)
Luego la principal prdida ser:
100.% 2
s P Q2H
3) Calor perdido debido al agua formada en la combustin del h 2 - q 3 en Kcal / Kg de
comb.
El calor que recibe el agua es a costa del proceso de combustin; este Q es
necesario para llevar el agua desde la T ambiente a la T de salida de los gases de
aproximadamente 200 C (Punto 2). La cantidad que debemos entregar segn los tres
caminos, sern:
(1) Cag (100 - Taire) (Kcal / kg de agua)
(2) Calor latente de vaporizacin = 540 Kcal. / kg agua
(3) C V (Tg - 100) (Kcal / kg de agua)
CV: Calor especfico del vapor = 0,5 Kcal. /kg. C
Luego:
comb. Kg
Kcal100Tg0,5 540 Taire-100h9Q
4 .
Por lo tanto:
100.% 3
s P Q
3H
4) Calor perdido debido a la humedad del combustible q 4 - en Kcal. / kg comb.:
Similarmente al paso anterior se tiene:
comb. Kg
Kcal
agua Kg
Kcal 665
comb. Kg
agua KghQ u4 .
8/10/2019 Generador de vapor.docx
14/49
8/10/2019 Generador de vapor.docx
15/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
14
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
aireGS7 TtC aguaKg. Kcal
0,5comb.Kg
aire Kg. Gae
secoairekg.agua Kg.
XQ
....
En Kcal /
Kg como:
seco aire Kg./agua mx. Kg.seco aire Kg./aguaKg.
XX relativa humedad
S
.
Xs = f (t) del diagrama psicomtrico
Luego:100.% 7
s P Q
7H
8) Calor perdido debido a la transmisin de calor y otras prdidas - q 8 - en kcal / kg
comb.
Debidas a la radiacin del calor hacia el exterior de las paredes del hogar y
caeras. Esta prdida se determina por diferencia entre la cantidad de calor absorbido
por la caldera y la suma de las prdidas calorficas anteriores. Para disminuirlas se debe
aumentar el espesor de las paredes y muros del hogar revistindolo interiormente con
material refractario. Las prdidas que se deben a diversas causas como ser: por el
combustible gastado para poner en marcha la caldera estando fra, al apagar la caldera,
por las purgas, por la limpieza de la caldera, etc.
100.% 8
7
1
s P
Q
8
iS8
H
combKg./Kcal HPQ
Hi Total de prdidas analizadas hasta el momento
8/10/2019 Generador de vapor.docx
16/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
15
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Calderas acuotubulares
En este tipo de calderas la generacin de vapor se produce en el interior de unas
tuberas por donde circula el agua. Estas tuberas se recorren el hogar recibiendo calor
del mismo. El dimetro de los tubos debe ser reducido y la velocidad de circulacin debe
ser alta para lograr arrastrar las burbujas de vapor que se generan en la cara interior de la
caera. La mezcla vapor agua que sale de los tubos provenientes del hogar debe ser
descargada en el interior de un cuerpo cilndrico que cumple la funcin de separador de
fases. El agua que se acumula en este es recirculada al circuito constituyendo as un
bucle cerrado. Segn la forma que se logra esta realimentacin podemos diferenciar dos
tipos de calderas acuotubulares: calderas acuotubulares de circulacin natural y calderas
acuotubulares de circulacin forzada.
Calderas acuotubulares de circulacin natural
En el cuerpo cilndrico se conectan tubos llamados "bajadores" (downcomers)
encargados de la conduccin de lquido saturado. Es decir libre de burbujas de vapor.
Asimismo estos tubos bajadores estn aislados del hogar, de manera que al no recibir
calor el lquido al alcanzar el extremo inferior est ligeramente subenfriado como
consecuencia de la mayor presin esttica. Lo que importa es que no tenga vesculas de
vapor. Los bajadores se conectan a tubos distribuidores que suministran lquido a un haz
de tubos llamados hervidores o "subidores". Estos tubos si estn expuestos a la cesin
trmica del hogar. En su interior es donde se genera vapor. En el extremo superior al
abandonar la zona del hogar en su interior se tendr un vapor hmedo de muy bajo ttulo,
del orden de x = 0,10 a 0,25. Es conveniente que el ttulo a la salida de los tubos
hervidores, sea reducido por cuanto el agua en fase lquida es quien tiene eficiencia para
enfriar al tubo, no as el vapor.Si el haz tubular debe generar 1.000 kg/hora de vapor, y el ttulo al ingresar al c.
cilndrico debe ser igual a 0,10, el gasto de fluido recirculado debe ser 10.000 kg/hora. La
relacin 10.000/ 1000 = 10 se llama Grado de Recirculado .
8/10/2019 Generador de vapor.docx
17/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
16
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Fig. 2 Esquema de una caldera acuotubular de circulacin natural
Para que tenga lugar la conveccin natural es indispensable que ambas columnas
de lquido tengan peso especfico diferente. Lo cual se consigue con el artificio citado de
tubos bajadores y hervidores. En Fig. 3 se representan las condiciones del fluido en el
circuito elemental considerado. Donde (1) es la condicin de lquido saturado a la salida
del c. cilndrico. (2) la condicin del fluido al ingresar al tubo hervidor. (3) al egresar del
tubo hervidor. Ntese que los 3 estados tiene la misma temperatura. Por lo tanto la
diferencia de pesos especficos es consecuencia del ttulo mayor que cero en el haz
hervidor. La presin impulsora para la conveccin resulta:
pi = H . (&1 - &2)
Dnde:
H = altura de columna de fluido.
&1= peso especfico col. lquido.
&2= peso especfico medio col. de vapor hmedo
8/10/2019 Generador de vapor.docx
18/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
17
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
La ejecucin del bucle cerrado para la recirculacin del agua debe ser
cuidadosamente diseada para que tenga la efectividad deseada. En caso de error, si las
resistencias a la circulacin del fluido resultan mayores, por lo tanto la presin impulsora
calculada ser insuficiente para generar el gasto de recirculacin deseado. Consecuencia:el ttulo a la salida de los tubos hervidores ser mayor lo cual redundar en una mayor
temperatura interior del tubo. Puede ocasionar su rotura.
Calderas acuotubulares de circulacin forzada
La circulacin del agua en las calderas acuotubulares de circulacin natural se
lograba por la diferencia de las densidades en las columnas de fluido.Para obtener mayor eficiencia del ciclo trmico se genera este a presiones y
temperaturas de sobrecalentamiento. En las proximidades de la presin crtica la
diferencia de densidades es prcticamente nula, lo cual pone un lmite a la circulacin
natural. Se necesita entonces una estacin de bombeo para lograr la circulacin del agua.
La impulsin por bomba que puede emplearse cualquiera sea el rgimen de
presin de generacin de vapor. Ya sea subcrtico como supercrtico. Atento al costo
adicional que implica la instalacin de bombeo y al consumo de energa que demanda
Fig. 3
8/10/2019 Generador de vapor.docx
19/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
18
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
este artificio slo se emplea para generadores de vapor que producen vapor a presiones
superiores a los 160-180 bar. Como se comprender este diseo es slo empleado en
generadores de vapor de gran capacidad nicamente empleado en centrales de
generacin de energa elctrica.Cuando la impulsin del agua por bomba se emplea en sistemas subcrticos, la
unidad se le denomina generador de vapor acuotubular de recirculado por bomba . El
circuito recorrido por el agua es similar al de la circulacin natural. La bomba se intercala
aguas abajo del cuerpo cilndrico al pie del generador de vapor y es alimentada por un
nico bajador. Al colocarse la bomba al pie el lquido al ingresar a la bomba tiene su
presin incrementada por la altura esttica de la columna de lquido, es un lquido
subenfriado. Se evita de este modo la cavitacin.
Cuando la presin de generacin es supercrtica, se elimina el cuerpo cilndrico por
cuanto no hay fases distintas para separar. La recirculacin del agua con el objeto de
controlar el ttulo del vapor a la salida de la superficie de calefaccin tampoco tiene
sentido, por lo tanto el agua slo pasa por las superficies de calefaccin una sola vez. Ello
motiva su denominacin de generador de vapor acuotubular de paso nico o de paso
forzado.
Fig.4 Esquema general de:
a) generador de vapor acuotubular de recirculado por bomba
b) generador de vapor acuotubular de paso nico
c) generador de vapor acuotubular de recirculacin combinada
8/10/2019 Generador de vapor.docx
20/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
19
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
El generador de vapor de paso nico cuando opera a rgimen reducido debe para
lograr un adecuado enfriamiento de las superficies de intercambio prximos a los
quemadores cuando la carga es reducida. Para ello es necesario garantizar la circulacin
de un gasto mnimo por este sector an antes de iniciar la combustin. La solucinadoptada fue colocar una recirculacin combinada. Esta resulta de una combinacin de
un sistema paso nico con un sistema de recirculacin. Cuando la demanda de vapor es
inferior a un 50 % de la mxima y cuando se inicia el arranque, se recircula parte del flujo
de agua. Cuando la generacin de vapor alcanza el 50 % cesa la recirculacin en forma
automtica.
Calderas humotubulares
En estas calderas, para el mejor aprovechamiento del calor de la combustin los
gases estn obligados a circular por un haz de tubos de dimetro relativamente pequeo
sumergidos en el agua.
El agua es suministrada por la bomba de aguade alimentacin e ingresa en forma de lluvia por la
cmara de vapor, evitando hacerlo prximo al cuerpo
cilndrico para evitar shock trmico. El calor cedido por
el combustible en el hogar, produce unas corrientes
convectivas internas tal como las ilustra la Fig. 13,
ascendentes por el sector central y descendentes por
los laterales. Para ello los bosques de tubos tienen
adecuadas separaciones para favorecer la conveccin
natural.
Fig. 5 Corrientes convectivas internas
8/10/2019 Generador de vapor.docx
21/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
20
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Este tipo generadores de vapor est constituido estructuralmente de la siguiente
manera:
Cuerpo cilndrico.
Fondos planos. Hogar.
Cmaras de inversin.
Haces tubulares.
Fig. 6 Generador de vapor humtubular
La combustin se desarrolla y completa dentro del hogar. Este es constituido por
un cuerpo cilndrico corrugado que se extiende y vincula al fondo plano anterior con la
cmara de inversin posterior (Primer paso de los gases productos de combustin). Un
haz tubular vincula la cmara de inversin posterior con el fondo plano anterior (Segundo
paso de los quemados). Finalmente otro haz tubular vincula al colector de los quemados
situado sobre el fondo anterior, con un colector de quemados sobre el fondo plano
posterior. Desde ste los quemados se dirigen a la chimenea. Se ha descripto as a un
GV. humotubular de tres pasos, con cmara de inversin hmeda. Algunos diseos solo
tienen dos pasos y la salida de quemados a chimenea se verifica por el frente del GV.
Tambin los hay de 4 pasos. El ms frecuente es de 3 pasos.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
22/49
8/10/2019 Generador de vapor.docx
23/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
22
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Este diseo de calderas resulta econmica su construccin para presiones del orden de
las 20 a 25 bar y superficies de calefaccin del orden de los 500 m (20 ton. de vapor /
hora). Para esta superficie el cuerpo cilndrico es de aproximadamente 3200 mm. de
dimetro exterior y 6 metros de longitud.
Calderas Cilndricas de gran volumen de agua
De este tipo eran las primeras calderas que se fabricaron para su uso industrial y,
si bien en la actualidad han pasado a ser piezas de museo, se las describe a ttulo
informativo y como breve resea histrica.
Estos tipos de generadores estaban comprendidos en uno de los dos tipossiguientes calderas cilndricas de gran volumen de agua de hogar exterior y calderas
cilndricas de gran volumen de agua de hogar interior.
Calderas cilndricas de gran volumen de agua de hogar exterior: posean
pequea superficie de calefaccin con respecto al gran volumen de agua
contenido, la circulacin del agua no era satisfactoria, no podan tolerar
valores elevados de presin.
Calderas cilndricas de gran volumen de agua de hogar interior: para
aumentar el rendimiento de las calderas cilndricas se instal el hogar dentro
del cuerpo cilndrico, esta reforma trajo mejoras como generacin de vapor
ms uniforme y mejor distribuida, sin embargo la circulacin del agua era
ineficiente debajo del cuerpo cilndrico y la combustin a veces era
incompleta debido a que el combustible estaba prximo a las paredes fras
del hogar. Posteriormente se reemplazaron el tubo liso del hogar por tubos
corrugados logrando as aumentar la superficie de calefaccin.
Fig. 11 Corte transversal de caldera
con hogar interior
8/10/2019 Generador de vapor.docx
24/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
23
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Tipos de calderas de tubos de humotubulares
Al comparar las calderas cilndricas de gran volumen de agua, con las de tubos de
humo se observa que en estas ltimas, al ser la superficie de calefaccin, referida a la
unidad de volumen de agua o a la unidad de volumen de gases, mucho mayor y la
distribucin del calor en las masa de agua ms uniforme su rendimiento ser mayor. En
ellas tambin la generacin del vapor es ms uniforme. Se dividen es tres tipos:
Calderas humotubulares con hogar exterior: este tipo de calderas
comnmente trabaja con presiones de hasta 12 Kg/cm2 y tamaos hasta
aproximadamente 250 HP de caldera. Para un dimetro dado de la calderael espesor de chapa es uno de los factores que fija el lmite superior de la
presin. La mayor parte de estas calderas se la construye para suministrar
vapor saturado, sin embargo, en algunos casos se las emplea para generar
vapor sobrecalentado, agregndoles el correspondiente sobrecalentador.
Se las utiliza en plantas de calefaccin para grandes edificios y fbricas, y
para la produccin de vapor para procesos y generacin de energa en
pequeas plantas industriales. Su capacidad est comprendida,generalmente, entre 450 y 7000 Kg de vapor por hora con presiones de
hasta 17 Kg/cm2 y alrededor de 85C de sobrecalentamiento.
Estas unidades se fabrican para quemar una variedad bastante amplia de
combustible: carbn, petrleo, gas, etc.
Fig. 12 Caldera con hogar exterior
8/10/2019 Generador de vapor.docx
25/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
24
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Calderas humotubulares con hogar interior con tubos horizontales: esta
caldera llamada tambin escocesa, es compacta, con el tubo de fuego
instalado en el mismo cuerpo cilndrico. En esa forma no se requiere
mampostera como en las calderas de tipo anterior y prcticamente tampocoson necesarias fundaciones o bases de apoyo importantes. Se trata de
calderas que pueden ser transportadas con facilidad, de un lugar a otro. Se
adaptan muy bien para ser instaladas donde el espacio disponible es
reducido tanto en planta como en altura. Funcionan en forma aceptable con
aguas con concentracin de slidos relativamente elevada, pues estos se
acumulan en la parte ms baja de la unidad y se eliminan fcilmente en la
forma de lodos.
Fig. 13 Caldera escocesa
Ventajas:
- Son de construccin compacta por lo cual se adaptan a instalaciones
mviles
- Ausencia casi completa de obra de mampostera lo que reduce el
coste de instalacin y facilita su transporte
- El cambie de tubos no ofrece dificultades
8/10/2019 Generador de vapor.docx
26/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
25
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
- Habiendo nicamente dos medidas de tubos no resulta onerosa la
reserva que debe existir en el depsito de repuestos
- Razonablemente econmica
Desventajas:
- Circulacin deficiente del agua
- Muchas de sus partes son difciles de limpiar, acumulndose all
fangos que producen corrosiones
- No se adaptan fcilmente al cambio de combustible
- La presin es limitada por su construccin misma (paredes plana)
- En ciertas condiciones adversas las chapas de la caja de fuego, se
curvan fcilmente por la accin del calor radiante
- No pueden soportar sobrecargas elevadas sin que las chapas se
recaliente
Calderas humotubulares con hogar interior con tubos verticales: se utilizan,
en general, para alimentar mquinas de pequea potencia y donde el
espacio de planta es reducido, como por ejemplo en los guinches de vapor.
Se construyen con presiones mximas de 15 Kg/cm2.
Ventajas:
- Costo relativamente bajo
- De puesta en marcha rpida
- Ocupa poco espacio
- Se transporta fcilmente
- No requiere construccin de mampostera, o en todo caso muy poco
- Como todos los tubos son iguales, basta tener en depsito una sola
medida.
Inconvenientes:
- Circulacin lenta y defectuosa
- La superficie libre de vaporizacin es pequea
8/10/2019 Generador de vapor.docx
27/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
26
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
- Cuando se pretende forzar la produccin de vapor se deteriora la
placa tubular inferior. En general, nunca la sobrecarga es mayor que
125%.
- Como su contenido de agua es pequeo, en relacin con laproduccin de vapor, debe conducrsela con cuidado para evitar las
explosiones.
- Siendo pequeo el camino recorrido por los gases, el rendimiento de
la combustin es reducido, el calor sensible de los gases es mal
aprovechado.
- La extraccin de los barros, que se depositan en la doble pared que
rodea el hogar, es dificultosa.
Fig. 14 caldera humotubular con tubos verticales
Tipos de calderas de tubos de acuotubulares
Frente a la necesidad de aumentar la produccin de las calderas, se procedi a la
construccin de unidades de tubos de agua. Debido al pequeo contenido relativo de
agua, su gran superficie de calefaccin, y a la circulacin eficiente del lquido, estas
calderas pueden alcanzar rpidamente las condiciones normales de marcha. Siendo
grande la superficie de calefaccin, relativa al contenido de agua, la produccin de vapor
es rpida y, en consecuencia, se requiere una buena circulacin del agua en los tubos.
Las calderas de tubos de agua se pueden construir en casi todos los tamaos y
hasta presiones muy altas. La capacidad en una sola unidad puede alcanzar hasta
8/10/2019 Generador de vapor.docx
28/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
27
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
450000 Kg/h. Se han construido para presiones de hasta 170 Kg/cm2 alcanzndose la de
225Kg/cm2 en calderas provistas de domos convencionales.
Ventajas:
- Peso relativamente pequeo- Pueden soportar tiros forzados enrgicos
- Puesta en marcha rpida
- Puede variarse fcilmente la produccin de vapor lo cual permite pasar
rpidamente de la carga normal a sobrecargas relativamente grandes
- La explosin de un tubo no tiene mayores consecuencias
- Puede variarse fcilmente las dimensiones de su hogar para adoptarlo a
distintos combustibles
- Su diseo permite grandes sobrecargas sin dao para la unidad
- Ocupan de 10 a 30% menos lugar que las de tubo de fuego
- Todas sus partes pueden limpiarse, inspeccionarse y repararse con ms
facilidad que en las calderas de tubos de fuego.
- Permite construirlas para amplios limites de presin y temperatura, y ajustar
el diseo del hogar a las caractersticas del combustible a usar y el mtodo
de alimentacin. Esta flexibilidad es muy interesante y necesaria cuando se
proyectan calderas para una planta existente.
Desventajas:
- Su costo inicial es mayor que las de retorno de llama, en general, calderas
de menos de 100 HP son de costo prohibitivo.
- Por su reducido volumen de agua debe cuidarse, en especial, su
alimentacin, sobre todo cuando funcionan a plena carga o sobrecargadas,
pues un descuido de pocos minutos puede ser fatal. Se impone entonces, la
alimentacin automtica.
- La presin y la vaporizacin son muy sensibles a la variacin del grado de
combustin debido al pequeo volumen de agua y de vapor.
- Si se desea se funcionamiento ptimo hay que alimentarlas con agua tratada
para evitar que se incrusten los tubos, que en ocasiones obligan a poner
rpidamente fuera de servicio la unidad.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
29/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
28
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
A pesar de estos inconvenientes se las prefiere debido al menor peso y espacio
ocupado, por su menor costo de operacin y manutencin y por su elevado rendimiento.
Podemos dividir a las calderas acuotubulares en: o como ya se mencion
anteriormente de circulacin forzada o natural, la calderas de circulacin natural sepueden dividir en calderas de tubos rectos o de tubos curvos.
Calderas acuotubulares de tubos rectos: en estas calderas los tubos pueden
estar dispuestos en posicin vertical u horizontal. Se designa con el nombre
de caldera de tubos verticales a aquella cuyos tubos estn instalados
verticalmente o con poca inclinacin respecto de la vertical y caldera de
tubos horizontales cuando los tubos son horizontales o se apartan poco de
esa posicin.
Ventajas:
- Al ser todos sus tubos iguales se requiere una reserva reducida de los
mismos
- Un tubo puede ser reemplazado sin necesidad de mover otros.
- La limpieza interior de los tubos para eliminar incrustaciones, se
efecta con facilidad utilizando mtodos mecnicos sencillos
- Su diseo se adapta para la normalizacin
- Se pueden adaptar para edificios de poca altura.
Desventajas:
- Dificultades para la fabricacin de las cajas colectoras y seccionales.
- Gran cantidad de agujeros de acceso para los extremos de los tubos.
- La limpieza de los tubos exige retirar una gran cantidad de cierres.
- Debe estudiarse con cuidado el proyecto para que la dilatacin de los
tubos no cree tensiones peligrosas
- La temperatura de los gases es elevada.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
30/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
29
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Fig. 15
Calderas acuotubulares de tubos curvos: con el objeto de disponer de
calderas de funcionamiento ms flexible que las de tubos rectos, en las que
la circulacin fuese ms efectiva, ms elevada la transmisin del calor y
desprovistas de los principales inconvenientes de las de tubos rectos, se
proyectaron y construyeron los generadores de vapor conocidos con el
nombre de calderas de tubos curvados. Existen unidades hasta con cinco
domos, pero las ms comunes son las de dos domos, interconectados por
medio de tubos curvados. La superficie de calefaccin de mayor magnitud
est constituida por los tubos que vinculan si a los diversos domos y que, en
la mayora de los modelos, estn distribuidos en dos o tres haces. El
sobrecalentador se instala entre los tubos del primer haz o entre el primero y
el segundo haz de tubos.
Ventajas:
- La elasticidad en el diseo.
- La curvatura de los tubos permite su dilatacin sin daar las uniones
- La transmisin del calor es buena debido al gran nmero de
pequeos tubos.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
31/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
30
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
- La circulacin, que es ms efectiva que en las calderas de tubos
rectos, permite mayores produccin de vapor
Desventajas:- Consta de una gran variedad de tubos, lo que exige mantener en
depsito una cantidad mayor de unidades de reemplazo que en el
caso de las calderas de tubos rectos.
- La limpieza de los tubos ofrece ciertas dificultades, sobre todo en las
curvas, adems la operacin debe realizarse desde el interior de los
domos.
- EL reemplazo de los tubos curvos es ms difcil que la de los tubos
rectos, en algunos modelos el cambio de algunos tubos exige retirara
otros.
Fig. 16 Caldera acuotubular de tuboscurvos de tres domos
Fig. 17 Esquema de caldera acuotubular de
tubos curvos de tres domos
8/10/2019 Generador de vapor.docx
32/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
31
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Tratamiento del agua de alimentacin a la caldera
Uno de los factores que influye en la eleccin del lugar para instalar una planta de
vapor es la conveniencia del suministro de agua, ya que el empleo de aguaimpropiamente tratada puede conducir fallas de la instalacin debidas a la corrosin y a la
formacin de incrustaciones.
El tratamiento de agua de alimentacin es esencial para el eficaz funcionamiento
de la instalacin y un tratamiento qumico correcto del agua aumenta la flexibilidad de la
operacin de la planta y reduce los gastos de mantenimiento.
El agua natural contiene impurezas slidas, liquidas y gaseosas. Algunas de las
impurezas solidas son solubles, mientras que otras no lo son. Las impurezas liquidascontienen aceites y grasas y pueden hallarse tambin presentes gases, tales como
oxgeno y CO2. El efecto de ciertas impurezas es la formacin de incrustaciones al
evaporarse el agua, mientras que otras sales presentes en las aguas naturales pueden
originar corrosin de los metales.
La dureza del agua es debida a la presencia de sales minerales de calcio y
magnesio, incluyendo los carbonatos, que son relativamente insolubles, pero que son
mantenidos en solucin debido a su combinacin con el cido carbnico, es decir, estn
presentes en forma de bicarbonatos, as como sulfatos, cloruros, nitratos, que son
solubles. Adems, el agua puede contener otros slidos insolubles designados con el
nombre de barros y pueden acumularse en la caldera consolidando los depsitos de
incrustaciones y produciendo, espumas y arrastres de agua.
Las impurezas liquidas proceden de afluencias que tiene el agua de los ros o de
los motores primarios (aceite lubricante y grasas); el agua de alimentacin de la caldera
debe estar exenta de tales impurezas, pues pueden ocasionar reventones en los tubos de
la caldera.
Las impurezas gaseosas ayudan a la corrosin de los materiales de la instalacin y
deben ser eliminados del agua.
El agua de alimentacin est formada por agua de condensacin y agua de aporte;
en una instalacin generadora de vapor, esta ltima presenta entre un 2% a 5% del total
del agua de alimentacin, mientras que en plantas donde el vapor se emplea para realizar
otro tipo de trabajo adems de la generacin de potencia, el aporte puede llegar a se del
orden del 100% del agua de alimentacin.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
33/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
32
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
El agua bruta o dura es tratada en un proceso de ablandamiento o una evaporacin
o por ambos y tambin por adicin de productos qumicos. Los procesos de depuracin
del agua pueden ser:
Proceso cal-sosa Proceso de intercambio de base
Proceso de desmineralizacin
En el primero de los procesos mencionados las sales generadoras de
incrustaciones se precipitan como compuestos relativamente insolubles, carbonato de
calcio e hidrato de magnesio por la adicin de cal hidratada y carbono sdico.
En el segundo proceso las sales generadoras de incrustaciones se convierten en
sales no incrustantes de sodio, haciendo pasar el agua a travs de un lecho de zeolita.
En el tercer proceso el agua atraviesa dos unidades: en la primera se convierte la
sal en cido (catin) y en la segunda, el cido se convierte en agua (anin).
El proceso de evaporacin consiste en hervir el agua en un evaporador,
condensando el vapor producido, obteniendo as un condensado que es aguan en gran
pureza, este tratamiento proporciona una fcil extraccin de la incrustacin.
Desobrecalentador
Las centrales de vapor modernas, se proyectan, para generar vapor con al grado
de sobrecalentamiento, requirindose en muchos procesos industriales, vapor saturado.
La conversin de vapor sobrecalentado a presiones y temperaturas menores que las
producidas por el generador de vapor, se obtiene inyectando agua fra pulverizada,
emplendose para ello desobrecalentadores.
El desobrecalentador tiene por objeto mantener la temperatura constante de la
salida de vapor sobrecalentado, en condiciones de trabajo de mayor carga que las
normales. Generalmente es un serpentin conectado en by-pass con el sobrecalentador y
ubicado en el colector de la parte superior de la caldera.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
34/49
8/10/2019 Generador de vapor.docx
35/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
34
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
El trmino sobrecalentado se aplica al vapor de ms alta presin y el de
recalentado se refiere al vapor de presin ms baja que ha liberado parte de su energa
durante la expansin en la turbina de alta presin. Con presin de vapor inicial alta
pueden emplearse una o ms etapas de recalentamientos con el fin de mejorar laeficiencia trmica.
Figura 18: La transformacin 1-2-3 se
realiza en el sobrecalentador. A lo largo de 1-
2 el vapor se seca y 2-3 representa el
sobrecalentamiento propiamente dicho a
presin constante.
Figura 19: La trasformacin 4-5
corresponde al recalentamiento del vapor,
entre las etapas de alta y baja de la turbina.
El sobrecalentador no es ms que un intercambiador tubular de calor en el que se
sobrecalienta el vapor ligeramente hmedo que proviene del domo de la caldera.
El sobrecalentador de las grandes calderas modernas absorbe una considerable
proporcin de calor liberado en el hogar y, por lo tanto, la superficie de calefaccin
necesaria constituye una fraccin grande e importante de las partes sometidas a presin
del generador de vapor.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
36/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
35
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Por otra parte, con los grandes hogares enfriados por agua, los mtodos modernos
de combustin y las elevadas temperaturas finales de vapor, buena parte de la superficie
del sobrecalentador debe instalarse en una regin donde la temperatura de los gases es
muy elevada, encontrndose sometida a condiciones que son ms severas que las quereinan en cualquier otra parte de la planta generadora de vapor. Solamente se logran
buenos rendimientos y seguridad, en el funcionamiento del sobrecalentador, si este opera
entre lmites bastantes estrechos.
Clasificacin
De acuerdo de cmo reciben el calor los sobrecalentadores se pueden clasificarse
en sobrecalentadores de conveccin, sobrecalentadores de radiacin o sobrecalentadoresmixtos.
Sobrecalentadores de conveccin: el calor es transmitido al vapor,
principalmente por conveccin desde los gases que barren la superficie de
sus tubos. Se instalan ms all de la salida del hogar, donde la temperatura
del gas son ms bajas que las de las zonas en las que se usan los
sobrecalentadores de tipo radiante. Por lo comn, los tubos se disponen en
la forma de elementos paralelos, con poco espaciamiento lateral y en
bancos de tubos que se extienden parcial o completamente a travs de la
corriente de gas, con el gas fluyendo a travs de los espacios relativamente
angostos entre los tubos. Se obtienen gastos elevados de gas y en
consecuencia velocidades altas de transferencia de calor por conveccin a
expensas de la cada de presin de gas a travs del banco de tubos.
Figura 20: Caldera de cuatro
domos con sobrecalentador entre
los tubos.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
37/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
36
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Sobrecalentadores por radiacin: por lo general se disponen para expansin
directa a los gases del hogar y, en algunos diseos, forman parte de la
cubierta de ste. En otros diseos, la superficie se dispone en forma de
espiras tubulares o planchas, con amplio espaciamiento lateralextendindose hacia el hogar. Esta superficie se expone a los gases a alta
temperatura del hogar que se mueve a velocidades relativamente bajas, as
que la transferencia de calor se hace por radiacin.
Fig. 21: Sobrecalentador por radiacin
con hogar separado
Sobrecalentadores Mixtos o de Radiacin-Conveccin: Combinando en
forma conveniente, un sobrecalentador de radiacin con otro de conveccin
se puede mantener constante la temperatura final de sobrecalentamiento
entre amplios lmites de variacin de la carga de la caldera. En el caso de
calderas de doble hogar, el sobrecalentador mixto permite mantener
constante el sobrecalentamiento entre un cuarto y plena carga de la
caldera.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
38/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
37
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Economizador
El calor sensible contenido en los gases de combustin que abandonan la
superficie de calefaccin es la mayor prdida de energa en una caldera. El objetivo deleconomizador es aprovechar una fraccin de este calor sensible y as mejorar el
rendimiento de la caldera.
El economizador es una superficie de calefaccin que aporta calor al agua que
ingresa a la caldera para que su diferencia trmica con el agua que ya se encuentra
dentro no sea muy importante.
El economizador ser el ltimo de los intercambiadores que recorren los gases
pues por el circula el fluido ms frio.Cuando se emplea el ciclo regenerativo, es decir el calentamiento del agua de
alimentacin por medio de vapor extrado en distintas etapas de la turbina, se instala un
precalentador de aire que, ahora, es el que ocupara el ltimo lugar precediendo al
economizador.
El economizador debe instalarse en la descarga de la bomba de alimentacin y no
en la aspiracin, pues perturbara el funcionamiento de la bomba.
Figura 22: Representacin en el
diagrama T S, del calentamiento 1-2, del
agua, en el economizador
8/10/2019 Generador de vapor.docx
39/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
38
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Tipos de economizadores
Economizador integral: se emplean nicamente en las calderas
acuotubulares de tubos curvados, y estn constituidos por un haz
semejante a los de la caldera, que se instala en el ltimo paso de
conveccin. Pueden ser uno o dos colectores. Si tiene un colector este se
coloca en la parte inferior, es por aqu donde ingresa el agua de
alimentacin, se une al domo de agua y vapor de caldera a travs de haz de
tubos del economizador, de esta manera el agua solo realiza un paso por el
economizador. Si tiene dos colectores uno se encuentra en la parte inferior
y otro en la parte superior, este ultimo tiene un tabique divisor, en uno de loscompartimientos del colector superior ingresa el agua de alimentacin que
se desplaza descendentemente hasta el colector inferior a travs de uno de
los haces del economizador, luego asciende al otro tabique del colector
superior a travs del otro haz de tubos del economizador, en total el agua
realiza dos pasos por el economizador.
Fig. 23a) Economizador integral de dos colectores
b) Economizador integral de un colector
c) Economizador integral de dos colectores
Economizadores interiores o exteriores: si es exterior significa queconstituye una unidad no encerrada en la caldera y esta soportado
independientemente. Si es interior el economizador instalado en la
armadura de la caldera
Economizador del tipo accesible: estos economizadores poseen
mecanismos para simplificar la limpieza interior de los tubos, como tapones
o en los codos partes extrables. Se utilizan en los casos en que el agua de
alimentacin, por no ser de calidad requerida, produce incrustaciones y
otros depsitos en los tubos.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
40/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
39
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Economizadores de fundicin: Los economizadores modernos de fundicin,
se caracterizan por estar constituidos por tubos aleteados, lo que no solo
favorece la transmisin de calor sino que aumenta la resistencia de presin
interior. Las aletas pueden ser cuadradas o circulares y los extremos de lostubos terminan en bridas cuadradas que facilitan la formacin de pilas. La
unin entre tubos se obtiene por medio de codos exteriores con bridas. La
limpieza exterior de los tubos aleteados se realiza con chorros de vapor.
Economizadores de acero: El acero, excepto en lo que a la corrosin se
refiere, ha demostrado ser el material ms apropiado para la construccin
de economizadores de alta presin. Las principales ventajas ofrecidas por
los tubos de acero son: dimetro y espesor ms pequeo, menos
reparaciones, mayor superficie de calefaccin en volumen dado, mayor
calor transmitido para un mismo peso por unidad de superficie y finalmente
menor costo.
Economizador de prevaporizacion: en estos economizadores el agua se
calienta hasta la temperatura de saturacin del vapor, y luego una parte de
la misma se vaporiza en su recorrido. Se garantiza el desplazamiento del
vapor a la caldera con velocidades de circulacin apropiadas y una amplia
unin con la caldera. Se los puede considerar una extensin de la caldera.
Son siempre de acero.
Tiro natural y tiro forzado
Definiciones
El funcionamiento de una instalacin generadora de vapor exige que circule, atravs de la misma, los gases calientes producidos por la combustin y que,
simultneamente, llegue aire al hogar, para mantener a esta ltima, y se descarguen los
gases fros por la chimenea. El fenmeno que produce el movimiento de la masa
generadora recibe el nombre de tiro.
Se dice que la presin del hogar o de la cmara de combustin es positiva cuando
es mayor que la presin atmosfrica, en cambio, si es menor que esta ltima, se la
considera como negativa. Cuando la presin en dicha cmara es igual a la atmosfrica se
8/10/2019 Generador de vapor.docx
41/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
40
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
dira que es equilibrada o balanceada. Las presiones negativas presentan la desventaja de
permitir la entrada al hogar de aire en exceso a travs de las fisuras, reducindose por
ello el rendimiento. Por lo contrario, la presin positiva sopla el fuego a travs de las
puertas del hogar y los gases a travs de las fisuras. Lo ms conveniente sera un hogarcon presin equilibrada para evitar los inconvenientes anteriores.
Como las diferencias de presiones necesarias, para mantener la corriente gaseosa,
son relativamente pequeas el tiro se mide en milmetros de columna de agua. La
diferencia de presin requerida depende, fundamentalmente, de la resistencia que opone
la instalacin al movimiento de los gases, desde la entrada del cenicero hasta la boca de
la chimenea.
El tiro tiene por finalidad:
1) Hacer llegar al hogar el aire necesario para la combustin.
2) Obligar a los gases a recorrer los conductos de humo con velocidadaceptable.
3) Evacuarlos en las capas relativamente altas de la atmosfera, para que noproduzca inconvenientes en las regiones habitadas.
Tiro natural
En el tiro natural, la chimenea es la encargada de producir la aspiracin necesaria
para que los gases; puedan vencer las resistencias que encuentran, en su camino a
travs de toda la instalacin, circulando con velocidad aceptable y abandonen la
chimenea con suficiente energa para alcanzar regiones elevadas de la atmsfera con el
fin de no perjudicar a las poblaciones.
Los gases que llenan la chimenea se encuentran a mayor temperatura que la del
aire circundante, por consiguiente, el empuje hacia arriba que recibe la columna de gases
calientes, que es igual al peso del volumen de aire que desaloja, ser superior a su peso
y. en consecuencia, esa columna gaseosa estar animada de movimiento ascendente.
Pero como en virtud del diseo de la instalacin, a medida que salen gases por la
chimenea entra aire al hogar, el movimiento resulta continuo y se establece as la
corriente gaseosa que constituye el tiro natural.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
42/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
41
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
En el sistema de conductos que comienzan en la puerta del cenicero y terminan en
la boca de la chimenea los gases se encuentran diversas resistencias que se oponen a su
movimiento y son la causa de prdidas de presin.
El tiro necesario es aquel que es suficiente para vencer las resistencias opuestas alsistema y asegure una adecuada velocidad de circulacin de los gases. El tiro se regula a
travs del registro, es un dispositivo que se abre o cierra aumentando o disminuyendo la
resistencia al paso del aire. Cuando se desea quemar ms combustible se abrir ms el
registro disminuyendo la resistencia al movimiento del gas, aumentar la velocidad de la
corriente fluida penetrar ms aire al hogar y crecer la combustin.
Originalmente, las primeras calderas funcionaban a tiro natural, ello debido a la
simplicidad de su ejecucin. Luego de efectuada la combustin en el hogar, los gases se
dirigan a chimenea, sin tener que circular a travs de otros equipos. La necesidad de
aumentar el rendimiento econmico de generacin, de incrementar la produccin
especfica de generacin, hizo necesario intercalar equipos recuperadores de calor y
aumentar la velocidad de desplazamiento de los quemados. Estas circunstancias y otras
ms, significan un incremento de las resistencias y exigencias de mayor capacidad de tiro,
no siendo posible de conseguir econmicamente con el recurso de chimenea. De este
modo, nicamente instalaciones sencillas, de muy pequea capacidad de generacin de
vapor, utilizan tiro natural. Otra desventaja que tienen los generadores de vapor con tiro
natural es que generalmente no pueden sobrepasar el 150% de sobrecarga debido a la
limitacin que impone la altura de la chimenea. La tendencia actual an en este tipo de
ejecuciones tiende a reemplazarlo por tiro artificial, para lograr una unidad ms compacta
y obviar el elevado costo de la chimenea de importante altura. Resulta as que, de
acuerdo a la concepcin actual, el tiro natural no resulta racional, resulta indispensable el
tiro artificial. El tiro natural se limita a instalaciones primarias, de mnima importancia. La
chimenea, o sirve para dispersin de los quemados (ejecucin metlica) o bien como
respaldo a la de tiro artificial, para disminuir los costos de explotacin.
Tiro artificial
El tiro artificial consiste en hacer llegar al emparrillado o al hogar, el aire necesario
para la combustin utilizando un medio mecnico u otro cualquiera. Ello implica el gasto
de cierta cantidad de vapor para producir el movimiento de la columna gaseosa,
8/10/2019 Generador de vapor.docx
43/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
42
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
contrariamente a lo que sucede con el tiro natural, con el cual no debe gastarse energa
suministrada por la planta generadora de vapor para mover la columna de gases.
Con el tiro artificial se tiene la posibilidad de variar la cantidad de aire que llega al
hogar, dentro de amplios lmites, lo que permite hacer trabajar las calderas consobrecargas mucho mayores que con el tiro natural.
El tiro artificial, como el tiro natural, est influenciado por las condiciones
atmosfricas, pero en cambio se tiene con l la posibilidad de contrarrestar toda escasez
de aire actuando sobre los ventiladores o sobre los registros, de la chimenea.
El tiro artificial presenta, sobre el natural, las siguientes ventajas:
- Suprime dimensiones excesivas de la chimenea que para asegurar el tiro en
todas las circunstancias, debe calcularse para las condiciones ms
desfavorables.
- Permite la regulacin sencilla.
- Es independiente de las condiciones atmosfricas.
- Se adapta ms fcilmente a las variaciones de carga de la central aun
cuando stas sean bruscas.
- Con l pueden quemarse carbn de calidad inferior y barato que requieren,
casi siempre, tiros ms fuertes que los que se obtienen con las chimeneas.
- Se recomienda para quemar carbones menudos, o cuando los espesores del
lecho de combustible son grandes, pues permite vencer la resistencia que
ellos oponen al paso del aire.
- Resuelven econmicamente el problema de los picos de carga en las
centrales forzando la vaporizacin de las calderas de servicio normal.
Tiene en su contra, este sistema, el gasto de energa que exige, y que crece
rpidamente con la presin o depresin requerida. Adems la combustin debe regularse
cuidadosamente para evitar los excesos de aire que son fuentes de prdidas
considerables.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
44/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
43
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Tiro Forzado
Con el tiro forzado se hace llegar el aire a presin, por debajo del emparrillado
utilizando ventiladores o eyectores de vapor. Estos insuflan aire por debajo de la parrillavenciendo la resistencia de la capa de combustin y manteniendo al hogar a una pequea
sobre presin con la relacin a la presin atmosfrica.
Este ventilador reduce el tiro que debe suministrar la chimenea. Se evita tambin
que en los conductos de humo se produzcan grandes depresiones con la consiguiente
entrada perjudicial de aire a travs de las fisuras. Debe evitarse el soplado muy enrgico,
capaz de arrastrar finos y cenizas.
El tiro forzado tambin se puede emplear para soplar aire secundario por encimade la parrilla, con el fin de crear una turbulencia favorable para la combustin total de los
productos de la destilacin del combustible.
Figura 24: Sistema con tiro forzado:
a) ventilador de soplado de la parrilla
b) ventilador de aire secundario.
Tiro forzado: sistema a cenicero cerrado
El aire es aspirado del exterior, o en la misma sala de calderas, con un ventilador y
es enviado a presin al cenicero a travs de conductos adecuados provistos de registros.
La instalacin tiene generalmente sistemas de comandos automticos que permiten
regular la cantidad de aire de acuerdo con la demanda. Como la presin en el hogar es
superior a la atmosfrica, al abrir la puerta del hogar para su limpieza se produce el
8/10/2019 Generador de vapor.docx
45/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
44
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
retorno de llama hasta la sala de calderas, motivo por el cual deben existir mecanismos
que interrumpan la llegada de aire en esos momentos.
Tiro forzado: sistema a cmara cerrada
En este sistema, se enva el aire a presin en la sala de calderas hermticamente
cerrada; dicho aire est obligado a pasar por el hogar, puesto que es la nica va de
escape disponible.
En las naves de guerra se usa casi exclusivamente este tipo de tiro. Como la sala
de calderas no debe permitir la salida del aire para evitar variacin en su presin, lasentradas se hacen con doble puerta. En las instalaciones terrestres, este sistema no
conviene debido al tamao grande de los locales, a la presin ejercida sobre las paredes,
y a las precauciones que deben tomarse en puertas y ventanas.
Tiro Forzado con eyectores de vapor
Se puede obtener el tiro forzado instalando aparatos a chorro de vapor basados en
el mismo principio del inyector de vapor, pero que arrastra aire en vez de agua. Este
sistema se utiliza en pequeas instalaciones provistas de emparrillados especiales para
quemar combustibles menudos o de mala calidad. Su instalacin en unidades corrientes
resulta onerosa, y adems, si el combustible quemado es de trozos grandes se producen
golpes de fuego que recalientan las chapas.
Tienen sin embargo la ventaja de que la inyeccin de aire con vapor asegura un
buen enfriamiento de las parrillas, e impide que las escorias se adhieran a ellas. Cuando
las toberas estn bien reguladas y convenientemente vigiladas, se pueden obtener
combustiones satisfactorias.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
46/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
45
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Fig 25. Tiro forzador con eyector de
vapor
Criterio de seleccin de mquinas trmicas
Para la seleccin de las mquinas trmicas los parmetros a cubrir apuntan
principalmente al aspecto econmico de la viabilidad del proyecto, en donde se buscar el
mnimo costo de inversin de capital con la mxima economa de produccin, adems
que la energa que se produzca, mantenga una relacin directa con la cantidad de
combustible que se consumir y que la mquina trmica requiera un mnimo e operacin
manual, para garantizar una mayor seguridad, resultando confiable dentro de losparmetros normales de servicio.
Objetivos generales:
- Mnimo costo (inversin de capital)
- Mxima economa
- Mxima produccin de energa.
- Seguridad de operacin.
- Contaminacin del medio ambiente
- Confiabilidad de servicio.
Parmetros generales:
- Rango o limitacin de potencia
- Rendimiento caracterstico
- Tipos de combustibles utilizados.
- Requerimientos de agua a alimentacin
- Posibilidad de ciclos combinados.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
47/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
46
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
Rango o limitacin de potencia
Las mquinas trmicas de combustin interna son para bajas potencia Diesel,
mxima hasta 60000 CV. La turbina de gas, para pequeas potencias y generacin entre50 y 200 Mw para carga base y pico. La turbina de vapor, alcanza potencias elevadas de
hasta 1200 Mw, en 2 ejes (1630000 CV), potencia en funcin del caudal mximo y de la
velocidad de rotacin.
Rendimiento caracterstico
Para las mquinas alternativas de vapor: transporte = 12%; estacionario = 20%.
Para los motores de combustin interna: a explosin = 30%; Diesel = 38%.
Para las turbinas de gas = 34% y para las turbinas de vapor = 43%.
Tipo de combustible
- Disponibilidad- Costo
Para las mquinas trmicas de combustin externas, se puede internar quemar
cualquier tipo de combustible.
Para las mquinas trmicas de combustin interna: nafta, gas oil, gnc.
Para las turbinas de gas: normalmente combustibles gaseosos o lquidos. Se tuvo
cierto xito con combustibles slidos y residuales.
Requerimientos de agua de alimentacin
El agua es de suma importancia en los ciclos de vapor. Para la alimentacin de los
generadores de vapor, el agua debe poseer una pureza significativa, (por ello existe una
planta qumica de tratamiento de agua), para evitar la corrosin y sedimentacin en las
paredes de los tubos de la caldera, ya que obstruira la libre circulacin, reduciendo su
8/10/2019 Generador de vapor.docx
48/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
47
U.T.N. F.R.B.B. Mquinas Trmicas, Hidrulicas y de Fluidos 4 I.E. - 2014 -
seccin y pinchando los tubos, siendo necesario gran cantidad de agua de alta pureza
para compensar prdidas. En cambio, se necesitan grandes cantidades de agua de baja
calidad para mantener la temperatura de la fuente fra, utilizndose agua de mar, ros,
lagos, etc. En el caso de motores de combustin interna se emplea agua de refrigeracin,aunque sta puede ser reemplazada por aire.
8/10/2019 Generador de vapor.docx
49/49
U.T.N.-F.R.B.B. Informe tcnico de campo
48
Conclusin
La eleccin de un generador de vapor se torna difcil debido a las muchas
variaciones de forma, tamao y disposicin de los componentes esenciales. Acontinuacin solo se mencionaran algunos de los datos a tener en cuenta a la hora de
seleccionar un generador de vapor.
El principal factor a tener en cuenta es saber qu ciclo va a alimentar el dispositivo,
esto nos determinar el ttulo de vapor entregado su presin y temperatura. Tambin los
factores fsicos entran en juego a la hora de la seleccin de la unidad. Los requisitos se
refieren a la altura de los techos y el rea de los pisos. Es necesario saber con qu grado
de variacin de carga funcionar la planta, de esta manera se podr saber que regulaciny que tipo de tiro implementar. El circuito de agua consiste en la trayectoria del flujo de la
misma, ya sea si se trabaje con circulacin natural o por bomba, se debe asegurar un
tratamiento adecuado del agua de alimentacin para que las tuberas no sufran corrosin
excesiva. Es fundamental tambin saber qu tipo o tipos de combustible se quemar en la
caldera, sean slidos, lquidos o gaseosos.
En definitiva cada proyecto tendr sus variantes, de todas maneras se deben tomar
como gua requisitos comunes a todas las calderas para escoger aquellas que satisfagan
las necesidades adecuadamente.