Maquinas Termicas - Gene Rad Ores de Vapor

MQUINAS TRMICAS Generadores de Vapor

189

INDICEGeneradores de Vapor ..................................................................................................................................................... 1 Generadores de Vapor ..................................................................................................................................................... 2 1.Introduccin ................................................................................................................................................................... 2 2.Definiciones .................................................................................................................................................................... 3 2.1. Caldera: ................................................................................................................................................................ 3 2.2. Generador de vapor: ............................................................................................................................................. 3 2.3. Presin y temperatura normal de trabajo o nominal. ............................................................................................ 3 2.4. Presin mxima de trabajo ................................................................................................................................... 3 2.5. Temperatura mxima de trabajo........................................................................................................................... 3 2.6. Presin de sellado o de timbre:............................................................................................................................. 3 2.7. Presin y temperatura de diseo:.......................................................................................................................... 3 2.8. Produccin mxima continua: (PMC) .................................................................................................................. 4 2.9. Produccin de vapor mxima instantneo:........................................................................................................... 4 2.10. Produccin de vapor mnima:............................................................................................................................... 4 2.11. Vaporizacin especfica: ...................................................................................................................................... 4 2.12. Carga trmica o liberacin de calor por volumen del hogar:................................................................................ 4 2.13. Calor liberado en el hogar por m2 de superficie: .................................................................................................. 5 2.14. Absorcin mxima de calor en cualquier punto del hogar: .................................................................................. 5 3. Clasificacin y Caractersticas de los generadores de vapor..................................................................................... 6 3.1. Calderas Humotubulares ...................................................................................................................................... 7 3.2. Calderas Acuotubulares........................................................................................................................................ 9 3.2.1. Caldera Tipo A ..................................................................................................................................... 10 3.2.2. Caldera Tipo D ......................................................................................................................................... 12 3.2.3. Caldera Tipo V ..................................................................................................................................... 14 3.2.4. Caldera colgada con haz convectivo ........................................................................................................ 19 3.2.5. Caldera radiante para combustible lquido y gaseoso ............................................................................. 25 3.2.6. Caldera radiante para carbn pulverizado .............................................................................................. 27 3.2.7. Calderas de circulacin asistida............................................................................................................... 30 3.2.8. Caldera de paso forzado........................................................................................................................... 35 3.2.9. Calderas de circulacin combinada............................................................................................................. 43 4. Circuito agua - vapor.................................................................................................................................................. 48 4.1. Economizadores ................................................................................................................................................. 48 4.1.1. Criterios de Diseo ...................................................................................................................................... 51 4.1.2. Dimensionamiento......................................................................................................................................... 53 4.1.3. Corrosin Exterior ........................................................................................................................................ 54 4.1.4. Corrosin Interior......................................................................................................................................... 55 4.2. Cuerpo Cilndrico ............................................................................................................................................... 56 4.2.1. Introduccin .................................................................................................................................................. 56 4.2.2. Funciones del Domo ..................................................................................................................................... 56 4.2.3. Caractersticas dimensionales ...................................................................................................................... 56 4.2.4. Internos del Domo......................................................................................................................................... 56 4.3. Paredes del hogar................................................................................................................................................ 66 4.3.1. Menores costos operativos ........................................................................................................................... 66 4.3.2. Mejora del rendimiento................................................................................................................................ 67 4.3.3. Eliminacin del ventilador de tiro inducido................................................................................................. 67 4.3.4. Equipos ms livianos.................................................................................................................................... 68 4.3.5. Estructura autoparte .................................................................................................................................... 69 4.3.6. Menor tiempo de montaje............................................................................................................................. 69 4.3.7. Menor exceso de aire ................................................................................................................................... 69 4.3.8. Menor tiempo de reparacin........................................................................................................................ 70 4.3.9. Construccin de la pared membrana. .......................................................................................................... 70 4.3.9.8. Tubos estrudos ......................................................................................................................................... 71

23/09/11

UNLZ

Facultad de Ingeniera


190

4.4. Sobrecalentadores y recalentadores.................................................................................................................... 72 4.4.1. Introduccin ................................................................................................................................................. 72 4.4.2. Ventajas del sobrecalentamiento y el recalentamiento ................................................................................ 72 4.4.3. Tipo de sobrecalentadores ........................................................................................................................... 72 4.4.5. Superficie de calefaccin ............................................................................................................................. 78 4.4.6. Flujo msico de vapor.................................................................................................................................. 79 4.4.7. Efecto del flujo msico de gases.................................................................................................................... 83 4.4.8. Recalentadores............................................................................................................................................. 84 4.4.9. Metales para los tubos ................................................................................................................................. 85 4.4.10. Tamao de tubos. ....................................................................................................................................... 85 4.4.11. Soportes de sobrecalentadores y recalentadores. ...................................................................................... 86 4.4.12. Espaciamientos entre tubos......................................................................................................................... 88 4.4.13. Limpieza interna......................................................................................................................................... 88 4.4.14. Limpieza externa ........................................................................................................................................ 89 4.5. Control de la Temperatura de Vapor .................................................................................................................. 89 4.5.1. Tcnicas para control de Temperatura ........................................................................................................ 89 5. Circuito aire gases de combustin .......................................................................................................................... 95 5.1. Ventiladores ....................................................................................................................................................... 95 5.1.1. Ecuacin de circulacin............................................................................................................................... 95 5.1.2. Caractersticas del hogar............................................................................................................................. 97 5.1.3. Caractersticas de los ventiladores centrfugos. .......................................................................................... 98 5.1.4. Curva caracterstica (Q H) ....................................................................................................................... 99 5.1.5. Leyes de los ventiladores............................................................................................................................ 101 5.1.6. Caractersticas Operativas de los ventiladores ......................................................................................... 105 5.2. Calentadores de Aire ........................................................................................................................................ 108 5.2.1. Introduccin ............................................................................................................................................... 108 5.2.2. El calentador regenerativo.......................................................................................................................... 110 5.2.3. Ventajas operativas.................................................................................................................................... 111 5.3. Sistemas de combustin ................................................................................................................................... 116 5.3.1. Introduccin ............................................................................................................................................... 116 5.3.2. Diseo de los sistemas de combustin. ...................................................................................................... 116 5.3.3. Quemadores ................................................................................................................................................ 119 5.3.4. Grillas para la combustin de combustibles slidos................................................................................... 137 6. Hogar ......................................................................................................................................................................... 140 6.1. Circulacin de Agua Vapor en un Generador de vapor................................................................................ 140 6.1.2. Circulacin asistida y forzada ................................................................................................................... 143 6.2. Lquidos en ebullicin ...................................................................................................................................... 147 a) Perodo previo o de calentamiento del lquido. ................................................................................................ 148 b) Periodo de evaporacin interfasial.................................................................................................................. 148 c) Ebullicin nuclear............................................................................................................................................ 149 d) Ebullicin de transicin................................................................................................................................... 149 e) Ebullicin pelicular.......................................................................................................................................... 150 6.3. Transmisin del calor en el hogar..................................................................................................................... 151 6.3.1. Introduccin ................................................................................................................................................ 151 6.3.2. Absorcin, reflexin y transmisin.............................................................................................................. 152 6.3.5. Emitancia del cuerpo negro ....................................................................................................................... 153 6.3.4. Ley de Planck .............................................................................................................................................. 154 6.3.5. Ley de Wien................................................................................................................................................. 155 6.3.6. Ley de Stefan Boltzman ............................................................................................................................ 155 6.3.7. Intercambio radiante en el hogar............................................................................................................... 156 7. Corrosiones................................................................................................................................................................ 159 7.1. Corrosiones a bajas temperaturas ..................................................................................................................... 159 7.1.1. Introduccin ................................................................................................................................................ 159 7.1.2. Punto de Roco ............................................................................................................................................ 159 7.1.3. Formacin del SO3 ...................................................................................................................................... 160 7.1.4. Punto de roco cido .................................................................................................................................. 161

23/09/11

UNLZ



191

7.1.5. Prevencin de las corrosiones .................................................................................................................... 162 7.1.6. Medidas constructivas................................................................................................................................. 162 7.2. Corrosin por alta temperatura. ........................................................................................................................ 164 8. Criterios de Diseo ................................................................................................................................................... 165

Trabajo Prctico .......................................................................................................................................................... 166 1. Objetos: ..................................................................................................................................................................... 166 2. Datos del problema:.................................................................................................................................................. 166 3. Seleccin del perfil de caldera: ................................................................................................................................ 167 4. Calor absorbido por el vapor................................................................................................................................... 168 5. Rendimiento del generador de vapor...................................................................................................................... 169 6. Dimensiones del Hogar............................................................................................................................................. 169 7. Clculo del sobrecalentador..................................................................................................................................... 169 8. Haz convectivo .......................................................................................................................................................... 171 9. Perfil de caldera e indicacin de aprametro caracteristicos. ................................................................................ 171 10. Conclusiones............................................................................................................................................................ 172 Planilla 1 ........................................................................................................................................................................ 173 Datos .......................................................................................................................................................................... 173 Circuito Agua Vapor .......................................................................................................................................... 173 Circuito Aire Gases............................................................................................................................................ 174 Planilla N 2: Caloras Absorbidas por el vapor ........................................................................................................ 174 Planilla N 3: Rendimiento del generador de vapor .................................................................................................. 175 Planilla N 4: Dimensionamiento del Hogar............................................................................................................... 176 Planilla N 5: Clculo de sobrecalentador .................................................................................................................. 177 Planilla N 6: Clculo del Haz convectivo................................................................................................................... 179 Grfico N 1: Necesidad de aire (L) y cantidad de gases de combustin (V), para combustibles slidos y lquidos ........................................................................................................................................................................................ 181 Grfico N 2: Calor especifico medio de los gases de combustin, correspondiente a Fuel Oil.......................... 182 Grfico N 3: ................................................................................................................................................................ 183 Grfico N 4: Caracterstica de la llama (longitud y dimetro) en funcin de la carga ......................................... 184 Grfico N 5: Absorcin de calor por radiacin ........................................................................................................ 185 Figura N 6: Perspectiva de un generador de vapor tipo D ...................................................................................... 185 Grfico N 7: Coeficiente de transmisin por conveccin......................................................................................... 185 Grfico N 8: Coeficiente de transmisin por radiacin no luminosa...................................................................... 186 Figura N 9: Perspectiva general de un generador de vapor, del tipo V ................................................................. 186 Grfico N 10: Calor en los gases de combustin....................................................................................................... 187 Grfico N 11: Calor especifico en los gases de combustin ..................................................................................... 188

23/09/11

UNLZ


Mquinas trmicas Generadores de Vapor

1

Generadores de Vapor1. Introduccin 2. Definiciones 3. Clasificacin y Caractersticas 3.1. Humotubulares 3.2. Calderas Acuotubulares 3.2.1. Tipo A 3.2.2. Tipo D 3.2.3. Tipo V 3.2.4. Colgante con haz convectivo 3.2.5. Radiante para combustible lquido y gaseoso 3.2.6. Radiante para combustible slido 3.2.7. De circulacin asistida 3.2.8. De paso forzado 3.2.9. De circulacin combinada 4. Circuito Agua Vapor 4.1. Economizador 4.2. Cuerpo cilndrico 4.3. Paredes del hogar 4.4. Sobrecalentador y recalentador 4.5. Control de la temperatura 5. Circuito Aire Gases de combustin 5.1. Ventiladores 5.2. Calentador de aire 5.3. Sistema de combustin 6. Hogar 6.1. Circulacin Agua Vapor 6.2. Lquidos de ebullicin 6.3. Transmisin de calor 7. Corrosin 7.1. Por baja temperatura 7.2. Lquidos de ebullicin 7.3. Por alta temperatura 8. Criterios de diseo

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


2

Generadores de Vapor1. INTRODUCCINDentro de los limites 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.Fig. 1 Primer evaporizador W. Blakey, 1766

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.

2. DEFINICIONES2.1. 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 23/09/11 UNLZ Facultad

de Ingeniera


3

vapor, es decir, sobrecalentador, desobrecalentador, recalentador intermedio, economizador, superficie evaporante, cuerpo cilndrico, y colectores.

2 .2 .

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.

2 .3 .

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.

2 .4 .

PRESIN MXIMA DE TRABAJO

Es el valor mximo que puede alcanzar la presin en condiciones admisibles de seguridad.

2 .5 .

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.

2 .6 .

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.

2 .7 .

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

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


4

2 .8 .

PRODUCCIN MXIMA CONTINUA: (PMC)

Es la mxima cantidad de vapor producido por hora en servicio permanente, bajo las condiciones de presin y temperatura nominales de trabajo.

2 .9 .

PRODUCCIN DE VAPOR MXIMA INSTANTNEO:

Es la mxima cantidad de vapor producida por hora en un intervalo de tiempo determinado.

2.10. PRODUCCIN DE VAPOR MNIMA:Es la cantidad de vapor generado por hora en condiciones de combustin estable.

2.11. 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 - Produccin mxima instantnea - Produccin mnima - Produccin especfica 130 t/h 136,5 t/h durante 2 horas 13 t/h 60 kg/m2 horaO LIBERACIN DE CALOR POR VOLUMEN DEL

2.12. CARGA TRMICA HOGAR:

Es el cociente entre la cantidad de calor liberado por el combustible y el aire y el volumen del hogar.

2.13. 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.

2.14. ABSORCIN HOGAR:

MXIMA DE CALOR EN CUALQUIER PUNTO DEL

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: 23/09/11 UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de Vapor LIB x m2 de SUP. PROYECT (kcal/m2 h) MEDIO AoD V o RAD 450.000 410.000 MAXIMO 540.000 520.000

5 LIB x m3 DE HOGAR (kcal/m3 h) MEDIO 535.000 280.000 MAXIMO 890.000 445.000

Tipo

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 Fuel Diesel Ol Carbn R. Turbio celulosicos 1230 1260C 1200 1230C 1150 1200C 890 - 925C

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


6

3. CLASIFICACIN Y CARACTERSTICAS DE LOS GENERADORES DE VAPOR.Una primera clasificacin de los generadores de vapor, puede ser la siguiente: - Fondo seco - Hogar interno (F.O. - GN) - Fondo hmedo - Grilla Humotubular - Hogar externo (Carbn o celulosico) - Cmara torsional - Hogar int. C. Grilla incorporada (Carbn comb. celulsico) - Tipo A Autosoportadas - Armadas en taller - Tipo D (s/recalentador ) Generadores - Armadas en obra {V D de vapor - Circulacin - Con haz convectivo Natural Colgada y radiante - P/ combustible lquido Acuotubular y gaseoso - P/ carbn pulverizado - Recuperacin - Circulacin Asistida - Radiante - Paso forzado - Combinado (Circulacin asistida + forzado)

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.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


7

3.1. CALDERAS HUMOTUBULARESLos 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. 3.1.1. 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.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


8

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. 3.1.2. 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. 3.1.3. Caldera humotubular de fondo hmedo.

Las calderas humotubulares hoy da se disean manteniendo la temperatura de entrada al segundo paso ente 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. 3.1.4. hemos esquematizado una caldera humotubular en la que se indican las temperaturas en los distintos pasos para un balance ptimo de calor.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


9

Fig. 3.1.4.- Temperaturas en los distintos pasajes de las calderas humotubulares.

Zona Radiante

1 - 1000 a 1050C 2 - 900 a 950C

3 - 470 a 500C Zona Convectiva 4 - 270 a 288C

3.2. CALDERAS ACUOTUBULARESDebido 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.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


10

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. Caldera Tipo A

3.2.1.

La caldera tipo A est constituida por un domo superior y dos inferiores. Son unidades que operan con circulacin natural, hogar presurizado y aptas para quemar combustible slido, lquido o gaseoso.Fig. 3.2.1. Corte, armado en fabrica y transporte caldera Tipo A

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


11

Se disean para ubicar un quemador frontal de gas natural combustible lquido o para implantar una grilla fija o mvil en el fondo de la caldera cuando se quema combustible slido. Los rangos de los parmetros de vapor principal, son los siguientes: Produccin de vapor, de 10 a 110 t/h. Temepratura de vapor, saturado a 310C. Presin de vapor, de 10 a 110 kg/cm2.

El perfil de caldera permite obtener una serie de ventajas frente al perfil D, a saber: Su perfil simtrico facilita el transporte de las partes de presin, que se montan en fbrica. Dilatacines y temperaturas uniformes en todas las seccines transversales del hogar. Facilidad de fabricacin y montaje por su configuracin simtrica.

En la fig. 3.2.1. se observa el corte transversal, de una construccin tpica del haz convectivo y pared lateral de la caldera, y la caldera en proceso de montaje en fbrica y una vez finalizado el mismo.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de Vapor 3.2.2. Caldera Tipo D

12

Las calderas tipo D, son unidades acuotubulares de circulacin natural, diseadas para combustin con horno a presin positiva (presurizada). Se han desarrollado a partir de la disposicin bsica de dos domos y tubos curvados verticales con las paredes del horno enfriadas por agua, combinadas con el haz de conveccin. Esta configuracin desarrollada hace aos, se ha convertido en el diseo normal aceptado por la mayora de los fabricantes de calderas industriales. Las paredes soldadas de tubos, un desarrollo de gran xito en los grandes generadores de vapor para produccin de energa, han sido adoptadas para calderas industriales. Este diseo hace mnimo el uso de refractarios (con su alto costo de mantenimiento) e impide la fuga de gases. Al mismo tiempo reduce significativamente la temperatura de la cubierta exterior y la posible corrosin de la misma. Se ha normalizado un amplio tamao de domos que aseguran su funcionamiento estable un sobrecalentador combinado radiante convectivo que produce una curva caracterstica de temperatura plana. Los tubos de caldera se disponen en lnea para obtener la mayor absorcin de calor con el mnimo de perdida de tiraje. Esto se combina con una amplia accesibilidad que permite la inspeccin interna de ambos extremos del haz de conveccin. Una serie de tubos de bajada protegidos del calor, proveen un nivel de agua estable en toda la longitud del domo. Los quemadores se ubican en el frente de la caldera y como mximo se emplean dos.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


13

Fig. 3.2.2.- Cortes y perspectiva caldera tipo D para combustible gaseoso y lquido

Estas calderas se utilizan cuando se quema combustible gaseoso o lquido (Gas natural D.Oil Fuel Oil, etc.) Se montan la mayora de las veces en fbrica y son transportados a la obra como si fuese un paquete.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de Vapor Los rangos del vapor son los siguientes: - Produccin de vapor - Temperatura del vapor - Presin del vapor de 10 a 260 t/h saturado a 310C. de 10 a 110 kg/cm2.

14

Este perfil de caldera corregido, da origen a los restantes tipos de caldera, como la del tipo V. 3.2.3. Caldera Tipo V

Es una caldera muy verstil diseada para poder quemar petrleo, gas natural y diversos gases residuales; la caldera tiene un rango de capacidades que van desde 60 t/h hasta 500 t/h de vapor, con presiones de diseo hasta 130 kg/cm2 y temperatura de vapor sobrecalentado hasta 540C. Esta caldera de dos domos y circulacin natural, es el desarrollo ms experimentado en el mundo. En las calderas del tipo V, los gases de combustin entran al haz de tubos a una temperatura uniforme a todo lo ancho de la unidad. La superficie de conveccin de la caldera, que segn el caso est formada por tubos de 51 mm. (2), 57 mm (2- ) 63mm. (2) est provista de diafragmas transversales para asegurar la distribucin pareja de la corriente de gas y para obtener la transmisin de calor ms eficiente con la menor prdida de tiraje. Con la construccin de paredes soldadas de la caldera, no se requiere ya ms que la cubierta exterior est diseada para soportar la presin interna de la cmara de combustin. El nico material refractario existente en el horno y sometido a alta temperatura (excepto los ladrillos que forman el piso) es el refractario plstico con que se forman las bocas de los quemadores. En ambas ubicaciones los refractarios se hallan adems intensamente refrigerados por agua y su eventual reparacin se puede efectuar con la mayor sencillez. En caso que sea necesario reemplazar un tubo, la parte daada puede ser cortada y reemplazada por otra soldada. No hay cubiertas interiores o material refractario que deba ser desmontado o reemplazado. Dado que los tubos estn separados por aletas de 25 mm de ancho, el tubo que reemplaza a otro daado, puede ser soldado en toda su circunferencia sin tener que mover otros. 3.2.3.1. - Combustin La caldera tipo V est diseada para combustin a presin. Por lo tanto es innecesario instalar ventiladores de tiraje inducido, eliminando as el costo correspondiente y el mantenimiento. La combinacin de la combustin a presin y de las paredes de la caldera totalmente soldadas impiden la infiltracin de aire y las fugas de gases. UNLZ Facultad

23/09/11

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de Vapor 3.2.3.2.- Quemadores frontales

15

Segn sea el tamao, se utilizan 2, 4, 6 u 8 quemadores, que adems se hallan disponibles en una variedad de tamaos individuales. 3.2.3.3.- Sobrecalentador radiante convectivo La ubicacin del sobrecalentador a todo lo ancho de la zona de salida de gases de la cmara de combustin, permite aprovechar el mximo de las ventajas de la distribucin uniforme de los gases sobre la superficie de transmisin. 3.2.3.4.- Diseo modular El diseo modular con que se construyen estas unidades, permite la seleccin individual del tamao y proporciones de la caldera y de la cmara de combustin para cualquier combustible dentro de los rangos lmites de la caldera. Partiendo de los elementos modulares bsicos se pueden obtener ms de diez mil combinaciones tiles de ancho, alto y largo de horno, dimetro de domo, altura entre domos, tamaos de tubos y presiones de diseo. Este tipo de caldera puede emplearse para quemar combustible slido (carbn celulsico). En tales casos, se alarga el fondo del hogar, tal como se observa en la fig. 3.2.5. y se elimina el piso. En esta ubicacin se coloca una grilla fija mvil para utilizarla como elemento que asegure la combustin a desarrollar. Muchas veces para mantener la plena produccin de la caldera, se emplea combustible lquido o gaseoso.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de VaporFig. 3.2.3. Corte transversal de una caldera tipo V autosoportada

16

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de VaporFig. 3.2.4.- Perspectiva de una caldera del tipo V autosoportada

17

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


18

Fig. 3.2.5. Corte transversal de una caldera tipo V-autosoportada, para quemar combustible slido

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de Vapor 3.2.4. Caldera colgada con haz convectivo

19

Este tipo de caldera se construye para ser montada en obra, soportada de una estructura externa, dilata hacia abajo y tiene circulacin natural. La disposicin ms simple posible para la conexin de tubos con un domo superior de vapor sobre uno inferior, ha sido desarrollada para una serie de diseos conocido como caldera Stirling de dos domos. Estos diseos estn normalizados para un amplio rango de capacidades y presiones, a saber: Produccin de vapor: Presin de vapor: Temperatura de vapor sobrecalentado: 540C 40 a 500 tn/h 14 a 130 ata

Sus caractersticas se adaptan para ser utilizadas como grandes calderas industriales o en pequeas centrales trmicas. Se dispone para quemar carbn pulverizado o sobre grillas, fuel oil, gas natural o una combinacin de estos. La figura 3.2.6. representa el corte de una caldera de este tipo. Los diseos permiten la construccin del generador de vapor con o sin sobrecalentador, no obstante en la mayora de los casos la caldera incluye este equipo. Cuando es necesario mantener constante la temperatura del vapor a cargas reducidas, el sobrecalentador se disea con un atemperador que puede ser de superficie o del tipo pulverizador. Un economizador o un precalentador de aire o ambos se pueden instalar si se justifica a travs de una evaluacin de rendimiento y ahorro de combustible. 3.2.4.1.- Caractersticas del horno: El horno de esta caldera est constituido por paredes de tubos de agua, unidos con aletas y presentados en paneles. Las aletas estn integralmente forjadas en el material del tubo para formar un hogar cerrado, que esencialmente elimina el refractario y los problemas asociados a l. Las paredes laterales del horno estn completamente unidas a travs de cabezales de entrada y salida, que se fabrican en taller conjuntamente con los niples de cada tubo soldados a dichos cabezales.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de VaporFig. 3.2.6. Caldera con haz convectivo y hogar radiante

20

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


21

Los tubos de las cuatro paredes de agua del hogar (cuyos dimetros oscilan entre 2 a 3) pueden tener variados espaciamientos entre centros de acuerdo a las caractersticas del combustible a quemar. El techo y el fondo del hogar son apropiados para quemar carbn pulverizado. El grado de inclinacin del cenicero del hogar de la caldera puede disearse para cualquier dimensin vertical y puede incluir un sistema de fuego en las esquinas con quemadores fijos o regulables (este ltimo sistema ayuda al control de la temperatura del vapor). Tambin puede poseer quemadores horizontales dispuestos en paredes frontales o posteriores o sistemas de combustin con grillas mecnicas solas o en combinacin con otros tipos de combustible. 3.2.4.2.- Superficie de conveccin Las serpentinas colgantes de los sobrecalentadores en combinacin con el haz convectivo sin bafles, constituye una disposicin de superficie de calefaccin que es atravesada por los gases en un solo pasaje. Los tubos verticales estn dispuestos en lnea para facilitar la inspeccin y la limpieza. El tamao de los tubos y el esparcimiento pueden variar de manera de alcanzar la mayor transferencia de calor posible con el mnimo de ensuciamiento del lado gases. Esta disposicin de superficie de calefaccin (de un solo pasaje de gases) es especialmente adecuada cuando la corriente de gases tiene un gran contenido de cenizas. Debido a que no existen bafles deflectores sobre los cuales se pueden concentrar y estratificar la ceniza, la probabilidad de taponamientos y erosin de tubos del lado gases, es sustancialmente reducida comparada con lo que ocurre en las superficies de conveccin con varios pasajes de gases. Instalada a travs de todo el ancho del hogar la superficie del sobrecalentador tiene la ventaja de recibir, uniformemente distribuida, la corriente de gases que deja el hogar. El conjunto sobrecalentador est soportado desde sus respectivos colectores de entrada y salida ubicados fuera de la corriente de gases por encima del techo del hogar. Los colectores a su vez estn soportados por las paredes laterales del hogar y por la estructura soporte de la caldera tal como pueden observarse en la figura 3.2.6. y en la perspectiva de la figura 3.2.7.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de VaporFig. 3.2.7.- Perspectiva caldera colgante con haz convectivo

22

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de Vapor 3.2.4.3.- Circulacin

23

La figura 3.2.8. muestra la circulacin del agua y el vapor en la caldera. Un hogar alto y grandes colectores de bajada proveen un efecto de circulacin por termosifn que da como resultado un flujo de agua a travs de los tubos que constituyen las paredes del hogar. La mezcla agua- vapor es transportada desde los colectores de entrada de las paredes de agua hasta el domo de vapor, a travs de los tubos que constituyen el techo del hogar, los colectores superiores de las paredes laterales, el haz de tubos que conforman la nariz del hogar, la fila frontal de tubos del haz convectivo. Los tamaos del domo de vapor varan desde 1370mm hasta 1980mm de dimetro interior, con internos del tipo centrfugo o de bafles utilizados para separar el agua del vapor, entregando este ltimo con un alto grado de sequedad.

Fig. 3.2.8. Circulacin agua - vapor

3.2.4.4.- Estructura soporte Este tipo de caldera est colgada desde una estructura de acero, ubicada por encima de ella, que le permite una dilatacin hacia los laterales y hacia abajo. Las secciones que conforman el perfil del hogar y los colectores superiores de las paredes laterales conjuntamente con los colectores del sobrecalentador estn suspendidos por medio de tensores, mientras que el haz convectivo est sostenido por dos grandes soportes en forma de U que abrazan la parte inferior del domo superior.

Debido a su tamao tanto la caldera como la estructura de soporte necesitan ser montadas en obra.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


24

3.2.4.5.- Diseo del perfil de la caldera en funcin de la presin operacin Como muestra la figura 3.2.9. el porcentaje total de calor absorbido en el haz convectivo se reduce significativamente en altas presiones, por dos factores: 1- En el sobrecalentador, la mayor cantidad de calor que se requiere absorber para sobrecalentar el vapor a ms altas temperaturas reduce la temperatura de entrada de los gases al haz convectivo. 2- La temperatura del agua en el haz convectivo es esencialmente la temperatura de saturacin correspondiente a la presin de operacin. A medida que se incrementa este ltimo parmetro, la temperatura del agua en el interior de los tubos sube, con lo cual se reduce la diferencia de temperatura media logartmica.

Fig. 3.2.9. Importancia del haz convectivo frente a la presin de trabajo de la caldera

3.2.4.6.- Caldera radiante La denominacin de radiante deriva del hecho de que en este tipo de caldera la absorcin de calor, en las superficies de calefaccin se verifica, en gran medida a travs de transferencia de energa radiante. Debido a su gran capacidad de produccin de vapor son utilizadas fundamentalmente en la generacin de energa elctrica y en grandes plantas industriales. Produccin de vapor: de 135 tn/h a 3.000 tn/h o ms. Presin de vapor: de 100 ata a 180 ata. Temperatura de vapor sobrecalentado y recalentado: 545C.

-

Se requiere en los diseos economizadores y calentadores de aire para obtener una eficiencia compatible con los costos del combustible. El tamao de las unidades obliga al

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


25

montaje en obra, no obstante muchos componentes son armados en taller. Es de hacer notar tambin, que son del tipo colgante, soportadas desde una estructura exterior.3.2.4.6.a) - Hogar

Constituido en su totalidad por pares de agua, dispuesto en forma de pared membrana respaldo estanco de tubos tangentes. Una o ms paredes divisorias pueden ser instaladas, dependiendo esto de los requerimientos funcinales y econmicos del diseo. Generalmente los tubos de pared de agua son de 2 3, con circulacin natural, dependiendo el paso entre centros del tipo de pared adoptada, ver punto 4.3.3.2.4.6.b)- Combustin

Los combustibles ms frecuentemente utilizados son el carbn pulverizado, el fuel-oil y el gas natural o la combinacin simultnea de alguno de ellos. La modalidad de operacin puede ser de tipo balanceado o forzado.3.2.4.6.c)- Quemadores

Se pueden ubicar en las esquinas conformando una estructura de fuego tangencial, teniendo la posibilidad de ser fijos o regulables. Tambin es posible su disposicin como quemadores horizontales fijos montados sobre las paredes frontales o posteriores.3.2.4.6.d)- Sobrecalentadores y Recalentadores.

Debido al tamao de las unidades se disponen como sobrecalentadores primarios en la zona convectiva y como sobrecalentadores secundarios en la zona radiante, lo que da como resultado una respuesta plana de la curva de temperatura final del vapor en funcin de la carga. El recalentamiento del vapor se puede realizar en dos etapas, la primaria o convectiva y la secundaria en la zona radiante no- luminosa (posterior al sobrecalentador radiante) en unidades de gran tamao, o con recalentadores dispuestos en la zona de absorcin radiante no luminosa convectiva en unidades ms pequeas. 3.2.5. Caldera radiante para combustible lquido y gaseoso

Con respecto al carbn, la formacin de cenizas al quemar fuel-oil es relativamente baja y nula en el caso del gas natural, adems la menor emisivilidad del gas natural implica una menor cantidad de liberacin de calor en forma radiante, por lo tanto el espacio volumtrico como as tambin la altura del hogar de estas calderas resultan ms reducidas que los que aquellas destinadas a consumo de carbn. A igual consumo de combustible, la formacin de gases producto de la combustin resulta superior para gas natural y fuel-oil, ambos respecto del carbn, lo que obliga a ampliar considerablemente el espacio volumtrico para alojar superficies de calefaccin convectivas en estas calderas respecto de las carboneras. Una caldera de este tipo se muestra en la figura 3.2.10.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


26

La misma est dispuesta con paredes de agua en el hogar y en el cenicero, sobrecalentador, recalentador, economizador y precalentadores de aire. La unidad est diseada para utilizar gas natural y/o fuel-oil separadamente o en forma combinada.Fig. 3.2.10.- Caldera Colgante, radiante para combustible lqudo y gaseoso.

3.2.5.1.- Flujo de aire y gases El aire proveniente de los ventiladores de tiro forzado es calentado en los precalentadores de aire y distribuido hacia la caja de aire de los quemadores. Los gases calientes provenientes del hogar pasan sucesivamente por las secciones del sobrecalentador secundario horizontal y el recalentador y por un haz del sobrecalentador primario.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


27

Luego el flujo gira hacia abajo y atraviesa las secciones restantes del sobrecalentador primario y el economizador, saliendo finalmente hacia el precalentador de aire. 3.2.5.2.- Flujo de agua y vapor El agua de alimentacin ingresa al colector inferior del economizador y fluye a travs de l descargando por medio del colector de salida una caera que la conduce al domo de vapor. Por circulacin natural, el agua fluye hacia abajo por los tubos de bajada para descargar en los colectores inferiores de la caldera. El flujo entonces asciende a travs de los tubos del hogar (que incluyen la seccin convectiva) hacia los colectores superiores y a travs de las conexiones de los tubos de subida, ingresa al domo de vapor nuevamente. La mezcla agua vapor es separada en el domo por medio de separadores ciclnicos, el vapor es luego purificado debido a su paso por los lavadores primario y secundario. El vapor, desde el domo, pasa a travs de mltiples conexiones a la parte posterior de la seccin convectiva incluida en el colector de entrada del sobrecalentador primario. El flujo de vapor sube luego a travs de las secciones del sobrecalentador primario y por medio de tuberas de conexin, se dirige al restante sobrecalentador primario descargando en el colector de salida del mismo que incluye un equipo de atemperacin con inyeccin de agua pulverizada. El vapor ingresa luego al colector de entrada del sobrecalentador secundario y fluye a travs de las secciones del mismo hacia el colector de salida y descarga finalmente en una tubera que finaliza en un punto exterior a la envoltura de la caldera sobre el frente de la unidad. El vapor de escape de la turbina de alta presin ingresa al colector de entrada al recalentador y fluye a travs de sus secciones saliendo, a travs del colector de salida, hacia una tubera que se encuentra fuera de la envoltura de la caldera, tambin sobre el frente de la unidad. 3.2.6. Caldera radiante para carbn pulverizado

Una unidad de este tipo se muestra en la figura 3.2.11. La caldera est compuesta de un hogar de paredes de agua y fondo seco, sobrecalentador, economizador y calentador de aire. Se la disea para utilizar carbn pulverizado de una finura del 70% o mayor a travs de la malla 200. Dado que la temperatura de los gases a la salida del hogar debe estar por debajo de la que corresponde a la de fusin de las cenizas, - para evitar su aglomeramiento y posterior abrasin en la superficie de los tubos- y teniendo en cuenta que el carbn es un combustible que libera calor radiante debido a su alta emisividad, es que el hogar de estas calderas requiere una mayor superficie de paredes de agua, lo que a su vez implica un mayor volumen de horno, comparado con unidades que queman fuel-oil o gas natural. Por esta caracterstica es que los sobrecalentadores secundarios o radiantes, diseados del tipo colgante, se ubican en la zona del hogar. UNLZ Facultad

23/09/11

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de Vapor 3.2.6.1.- Flujo de combustible

28

El carbn en bruto se descarga desde los alimentadores hacia los pulverizadores. El carbn pulverizado es transportado por el aire primario hacia los quemadores a travs de un conducto presurizado que conduce la mezcla aire-combustible. 3.2.6.2.- Flujo de aire y gases El aire proveniente de los ventiladores de tiro forzado se calienta en los calentadores de aire, luego es conducido hacia las cajas de aire de los quemadores, a los que ingresa como aire secundario, distribuyndose adems, en el sistema de aire primario, como aire primario caliente. Los gases calientes provenientes del hogar pasan sucesivamente a travs del sobrecalentador secundario y del recalentador colgante ubicado en el paso convectivo fuera de la zona de alta transferencia de calor por radiacin del hogar. La corriente de gases luego gira hacia abajo y atraviesa el sobrecalentador primario y el economizador y pasa finalmente hacia los precalentadores de aire, para luego ser expulsados hacia el exterior por la chimenea.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de VaporFig. 3.2.11. Caldera colgante radiante para carbn pulverizado

29

3.2.6.3.- Flujo agua vapor El agua de alimentacin ingresa por el colector inferior del economizador pasando luego por ste para descargar a travs del colector de salida en una caera que lo enva hacia el domo de vapor. El agua fluye luego por circulacin natural hacia abajo a travs de los tubos de bajada que se conectan con los colectores inferiores del hogar. Desde los colectores de paredes 23/09/11 UNLZ Facultad

de Ingeniera


30

del hogar, el flujo asciende a travs de los tubos del mismo hacia los colectores superiores. El flujo pasa entonces a travs de los tubos evaporantes hacia el interior del domo de vapor. La mezcla agua vapor es separada en el domo, por medio de separadores ciclnicos. El vapor separado es luego purificado debido a su pasaje por los lavadores primario y secundario. El vapor proveniente del domo pasa, a travs de mltiples conexiones, a un colector que alimenta los tubos del techo del hogar, luego a travs de otros colectores hacia los tubos ubicados en las paredes de la zona convectiva y finalmente desde otro colector hacia el interior del sobrecalentador. El flujo de vapor sube a travs del sobrecalentador primario y descarga hacia su colector de salida donde se encuentra montado un equipo de atemperacin con inyeccin de agua pulverizada. Ingresa luego al sobrecalentador secundario fluyendo por las serpentinas de sobrecalentamiento hacia el colector de salida y caera de descarga la cual termina en un punto externo de la caldera. El vapor de escape de alta presin de la turbina es introducido en el colector de entrada del recalentador y fluye a travs de la tubera del mismo hacia la salida. 3.2.7. Calderas de circulacin asistida

Aquellas calderas que trabajan a presin subcrtica y que disponen, para lograr la circulacin en el circuito agua vapor del hogar, de una bomba, se las denomina de circulacin asistida. (ver puntos 6.1. y 6.1.2.). Es de hacer notar que en las calderas de circulacin natural, la cantidad de agua circulada es aproximadamente 20 veces mayor que la evaporada, debido a la gran inercia trmica de estos generadores. Esta relacin, con la ayuda de bomba de circulacin en las calderas asistidas, se reduce de 1 a 20/5 a 1 a 4/3 con lo que se acelera el proceso de arranque y de generacin de vapor de estas unidades. Los casos ms tpicos de generadores de circulacin asistida son: 3.2.7.1. 3.2.7.1.- Caldera colgante radiante Utilizada exclusivamente para la generacin de energa elctrica, este tipo de calderas se emplea para presiones a partir de 162 kg/cm2. No difieren de las calderas radiante de circulacin natural para el mismo fin, en lo que hace su disposicin y construccin, salvo en la instalacin, - en la parte inferior de los tubos de bajada de agua del domo (downconmers)- de la bomba de circulacin (ver figura 6.1.5.), y en la disminucin del dimetro de los tubos que constituyen las paredes de agua del hogar (ver punto 6.1.2.). Una unidad de este tipo, para la combustin de carbn pulverizado, puede observarse en la figura 3.2.12. UNLZ Facultad

23/09/11

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de Vapor 3.2.7.2.- Caldera de recuperacin

31

A los efectos de optimizar el aprovechamiento del combustible utilizado en los procesos de combustin, suelen disponerse las llamadas calderas de recuperacin, las cuales aprovechan el calor sensible de los gases provenientes de: turbinas de gas, motores diesel, altos hornos, etc., que en el caso de ser acuotubulares, la gran mayora de las veces, son de circulacin asistida y pueden contar a su vez, con aporte suplementario de combustible. Se las utiliza para procesos industriales o para la generacin de energa elctrica.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


32

Fig. 3.2.12. Caldera colgante, radiante para combustible slido pulverizado y circulacin asistida.

En la actualidad una tendencia muy pronunciada en la generacin de energa elctrica, es la de instalar ciclos combinados cogeneracin, mediante los cuales se ha podido aumentar considerablemente el rendimiento de los mismos hasta valores superiores a un 50%.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


33

En la figura 3.2.13, se muestra un diagrama de flujo de un ciclo combinado, donde se aprecia la disposicin de estas calderas.

1.Turbina de gas,2. By-pass del flujo de gases, 3.Caldera de recuperacin, 4.Evaporador de b.p., 5.Ecnomizador, 6.Evaporador a.p., 7.Sobrecalentador a.p., 8. Domo b.p., 9. Bomba de circulacin b.p., 10. Domo a.p., 11.Bomba de circulacin a.p., 12.Tanque de alimentacin/desaereador, 13. Bomba de alimentacin b.p., 14.Bomba de alimentacin a.p., 15.Turbina de vapor, 16.Condensador, 17.Bomba de extraccin de condensado, 18.By-pass a.p., 19.By-pass por exceso de vapor, 20.Estacin reductora de vapor, 21.Economizador b.p., 22.By-pass b.p.

Fig. 3.2.13.- Diagrama de flujo de ciclo combinado

La perspectiva de la figura 3.2.14. y la figura 3.2.15. muestran calderas tipo La Mont de circulacin controlada. los haces de tubos evaporantes, estn dispuestos en forma de serpentina horizontal que descargan en un domo pequeo colector ubicado fuera de la caldera. De aqu se alimentan, a travs de tubos de bajada, a las bombas que asisten a la circulacin. Pueden no, contar con sobrecalentador, que se dispone de la misma forma, pero por debajo de los haces evaporantes. El espaciamiento de los tubos en la seccin inferior de entrada de gases es el ms ancho para evitar la adherencia de la escoria y para minimizar la abrasin. A medida que los gases se enfran en su pasaje a travs de la caldera, el espaciamiento de los tubos disminuye. Todas las superficies de calefaccin de la caldera debe acondicionarse para poder ser sopladas y/o lavadas.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


34

Fig. 3.2.14 Perspectiva Caldera de recuperacin de gases y circulacin controlada, La Mont.

Las bombas de circulacin que operan con una presin de 4 a 6 kg/cm2 por encima de la presin de la caldera, permiten no solamente una mayor flexibilidad en la eleccin del tamao y de espaciamiento de los tubos, sino tambin una estable y positiva circulacin bajo condiciones de carga variable o fija; moviendo un volumen de 3 a 8 veces mayor que el evaporado y consumiendo del 0,5 al 0,6% de la potencia de la caldera. Esta caldera es adaptable a todas las presiones, hasta llegar a la supercrtica y para las capacidades hasta 1000 Tn/hr.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


35

Fig.- 3.2.15.- Calderas de recuperacin de circulacin asistida. Para la generacin de energa electrica en ciclos combinados.

3.2.8.

Caldera de paso forzado

Este tipo de unidades es tambin llamada de un solo paso o tubo continuo, en ellas se obliga al agua a fluir a travs de todo el circuito agua vapor, en la direccin deseada independientemente del grado de calor aplicado, su principio de operacin es el siguiente: el fluido de trabajo (agua) es bombeado dentro de la unidad en estado lquido, pasando secuencialmente, a travs de todas las superficies de calefaccin, donde se convierte en vapor a medida que absorbe calor, saliendo de la unidad como vapor sobrecalentado a la temperatura de consigna.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


36

Fig. 3.2.17

De acuerdo a lo anterior puede inferirse que no existe recirculacin del fuido dentro de la unidad, y por esta razn no es necesario el domo para la separacin de la mezcla agua-vapor. Econmicamente su aplicacin resulta ms ventajosa en unidades de gran tamao y con presines de operacin subcrticas muy elevadas o supercrticas. Los principales rangos de trabajo son: Produccin de vapor: Desde 135 tn/h hasta un mximo indeterminado que puede llegar a 4500 tn/h. Presin de operacin: En rgimen subcrtico, por encima de 160 ata. En rgimen supercrtico entre 230 280 ata. Temperatura de vapor sobrecalentado y recalentado: aproximadamente 545C.

La caldera de paso forzado es capaz de proporcinar coeficientes muy altos de evaporacin debido a que esta de antemano asegurada la circulacin correcta. Por lo tanto puede ser diseada para grandes cargas de calor en el hogar y altas velocidades de los gases de combustin. El dimetro de los tubos se puede reducir hasta 1 (ver 6.1.2.) con coeficientes de absorcin de calor que oscilan entre 550.000 a 800.000 kcal/m2h. Los combustibles utilizados pueden ser gas, fuel-oil o carbn, este ltimo pulverizado o triturado. El hogar est completamente enfriado por paredes de agua de construccin tipo membrana (ver 4.3.9.). El mismo puede ser diseado para operar presurizado o con rgimen de tiro balanceado. El sistema de eliminacin de cenizas puede operar en rgimen seco o hmedo. En las unidades de gran tamao se suelen construir paredes divisorioas del hogar para conseguir una reduccin en el volumen de la unidad. 3.2.8.1.- Ventajas del paso forzado Circulacin real. El generador no esta sujeto a la inestabilidad y dificultades que presenta la circulacin natural en altas presiones.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de Vapor -

37

Construccin compacta. Tubos ms pequeos de peso ligero con menos volumen, mejor disposicin de las superficies de calefaccin y la posibilidad de cargas intensas del hogar, reducen al mnimo el espacio de montaje y el peso de la unidad, con lo que se acorta el tiempo de montaje y la consiguiente baja de su costo. Flexibilidad en la operacin. La operacin a diferencia de la circulacin natural (con su peculiar caracterstica de inercia) permite un calentamiento rpido, cambios repentinos en la carga, y el enfriamiento en perodos de tiempo corto. Factor de seguridad mejorado. El menor dimetro y peso de los tubos reducen los esfuerzos trmicos y el peligro de sobrecalentamiento. Las fallas en algunas de sus partes, ocasionan menores daos a los elementos adyacentes de la caldera. Circulacin efectiva durante el periodo de arranque, antes de que el fuego sea aplicado lo que da una proteccin adicional, eliminando zonas calientes y fras.

-

-

-

3.2.8.2.- Desventajas La demanda de mayor trabajo de la bomba de alimentacin, incrementa el consumo de potencia de los equipos auxiliares. Necesidad indispensable de los circuitos de control en automtico. Debido al pequeo dimetro de los tubos evaporantes se deben evitar las adherencias en las paredes de los mismos, por lo que se exige una alta pureza del agua de alimentacin. Los tubos evaporantes carecen de un control del nivel de agua, ya que el mismo cambia de acuerdo a cada situacin de operacin. Este factor combinado con la reducida capacidad de agua de la unidad, hace que sea necesario un sistema de control muy sensible y enteramente automtico para el suministro de combustible, aire y agua.

-

3.2.8.1.a) - Caldera Benson

En el ao 1922 el Ingeniero Mark Benson obtuvo la patente para una caldera de paso forzado. Esta construccin utilizaba el hecho que, por encima de la presin crtica, el agua pasa en forma inmediata al estado de vapor seco. De esta manera se poda sortear el estado intermedio de doble faz durante la evaporacin y renunciar el domo como recipiente de separacin del agua y el vapor. La construccin de estas calderas tuvo despus de la 2 guerra mundial un extraordinario impulso fundamentalmente en los pases europeos. Hacia 1960 la caldera Benson tena las siguientes caractersticas:

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


38

Fig. 3.2.18.- Esquema simplificado de flujo forzado continuo en la caldera Benson

Luego de fluir por el economizador ubicado al final de la caldera, el agua pasa al evaporador radiante. La ltima parte del evaporador se encuentra en una zona de gases de mediana temperatura, dado que en esta fase es de esperar la precipitacin de las sales y all son ms dominables o controlables las posibles sobretemperaturas provocadas por los consecuentes depsitos. El vapor seco recibe en el sobrecalentador el aumento de temperatura deseado. El evaporador radiante est compuesto por una cantidad de grupos de tubos en paralelo, conectados unos tras otros (ver figura 3.2.19.), los tubos ascendentes calentados son recorridos por el flujo de abajo hacia arriba, la conexin al registro vecino tiene lugar por medio de tubos descendentes fros, mientras en los primeros registros de tubos se trata de agua que debe distribuirse en la cantidad de tubos previstos, ms adelante, y en base al calentamiento y evaporacin, se trata de una mezcla de agua y vapor que debe distribuirse en una cierta cantidad de tubos en paralelo.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


39

Fig. 3.2.19. Paneles tpicos de paredes de hogar de caldera Benson.

La caldera Benson se regula a temperatura final del vapor constante; el combustible se regula segn el caudal de agua de alimentacin o sea para cada estado de carga se prev una relacin combustible agua de alimentacin. Una caracterstica distintiva de la caldera Benson es que su punto de evaporacin no es fijo, sino que vara con el estado de carga.3.2.8.2.b)- Caldera Sulzer

La caldera Sulzer monotubular se desarroll en el campo de las presiones subcrticas, basndose su diseo en dos conceptos fundamentales: 1- La distribucin del fluido de trabajo en el nmero previsto de tubos en paralelo, se efecta cuando an se trata de agua pura sin burbujas de vapor. 2- El punto de evaporacin para instalaciones subcrticas es mantenido fijo (en el botelln). Este hecho es de significacin para la regulacin, dando adems oportunidad para efectuar purgas y con ello permitir el empleo de igual calidad de agua que en calderas de circulacin natural.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


40

Un esquema del flujo agua vapor de una caldera Sulzer se muestra en la figura 3.2.20.

Fig. 3.2.20. Esquema simplificado de flujo en generador de vapor Sulzer.

El agua llega por medio de la bomba de alimentacin al economizador, fluyendo luego por el evaporador hasta el separador o botelln. El agua llega por medio de la bomba de alimentacin al economizador, fluyendo luego por el evaporador hasta el separador o botelln Sulzer, aqu se separa el agua del vapor. El vapor saturado pasa luego por los sobrecalentadores hasta alcanzar la temperatura deseada, saliendo luego hacia la turbina. El punto de evaporacin final fijo (caractersticas de la caldera Sulzer) da la ventaja que los diversos circuitos de regulacin pueden ser independientes evitndose la influencia entre s. La regulacin interna de la caldera se subdivide entonces en cuatro circuitos a saber: 1- Regulacin del agua de alimentacin. 2- Regulacin del nivel del botelln. 3- Regulacin de temperatura del vapor. 4- Regulacin de presin.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


41

El hogar de la caldera Sulzer se caracteriza por la disposicin del hogar con paredes de agua en forma helicoidal.3.2.8.3.c)- Caldera Ramsin

Es el tipo de caldera de tubo continuo modificado similar a la Sulzer de desarrollo en RUSIA. El evaporador est formado por tubos ascendentes en espiral de pequea inclinacin, que tienen instaladas placas orificios en su interior a los efectos de aumentar la estabilidad del flujo. Existen tipos con y sin botelln separador, como as tambin en algunos diseos poseen domo separador y superficies de evaporacin extras en las que la circulacin es natural. Un esquema simplificado de la disposicin tpica de estas calderas se muestra en la figura 3.2.21.

Fig. 3.2.21. Representacin esquematica del flujo en una caldera Ramsin.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


42

En la figura 3.2.22., se representa un corte transversal de un generador de paso forzado.

Fig. 3.2.22. Caldera de paso forzado

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de Vapor 3.2.9. Calderas de circulacin combinada.

43

El sistema de circulacin combinada consiste en un generador de paso forzado con un sistema superpuesto de recirculacin asistida en los tubos evaporantes. Estos ltimos se protegen de sobretemperatura en el metal por recirculacin del flujo a travs de una bomba de recirculacin cuando el flujo de paso forzado es insuficiente en el arranque y/o a bajas cargas. En cargas que estn por encima del 60% de la nominal, la bomba de circulacin no es ms necesaria como proteccin y la unidad opera en rgimen de paso forzado. En la actualidad el campo de encuadramiento de los generadores de circulacin forzada, es muy difuso, es as que generadores Benson poseen botellones, u hogares de construccin helicoidal en la parte inferior y de tubos rectos en la parte superior similar a las unidades Ramsin o Sulzer y es tambin habitual la provisin de bombas de recirculacin en todas estas unidades. Aprovechndose por lo tanto lo mejor de cada sistema en las nuevas construcciones y siendo la mayora de circulacin combinada. Con este tipo de unidades es usual suministrar un sistema de arranque que contiene vlvulas de corte y regulacin dispuestas entre las paredes del hogar y el sobrecalentador, las cuales pueden ser by-paseadas a travs de un sistema de baja presin con un separador de agua. Esta disposicin permite operar en el arranque a presiones por encima de la crtica en los tubos evaporantes, mientras que el sobrecalentador trabaja a presiones subcrticas. 3.2.9.1.- By-pass Un sistema de by-pass, integrado con la caldera, la turbina y los sistemas de condensado y agua de alimentacin, se provee de manera que el caudal mnimo de diseo pueda ser mantenido a travs de las partes de presin que estn expuestas a altas temperaturas de los gases de combustin a pesar de que en unidades con bomba de recirculacin el bypass no es necesario para la proteccin de las paredes del hogar durante las operaciones de arranque y en oportunidades en que en flujo mnimo de diseo supera la demanda de la turbina. El sistema de by-pass tal como se lo observa en el esquema de la figura 3.2.23. cumple las siguientes funciones adicinales.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


44

Fig. 3.2.23. Sistema de by-pass de turbina.

1- Reduce la presin y temperatura del vapor que abandona la caldera durante los arranques a condiciones adecuadas para la turbina, el condensador y los equipos auxiliares. 2- Provee medios para la recuperacin del flujo calrico en el sistema utilizando los precalentadores de agua de alimentacin. 3- Provee medios para acondicionar el agua durante los arranques sin demorar las operaciones de calentamiento de la caldera y la turbina. 4- Protege el sobrecalentador secundario contra choques de agua durante los arranques. 5- Provee medios para atenuar el exceso de presin en el sistema despus de una salida de servicio brusca de la unidad. El diseo de generadores de circulacin combinada permite tubos de paredes de hogar de un dimetro tal que mantiene un flujo msico adecuado a travs de los mismos en todas las condiciones de operacin.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de Vapor En la figura 3.2.24. se representa una perspectiva de este tipo de disposicin.

45

Fig. 3.2.24.- Diagrama de flujo para arranque de paredes de hogar en circulacin combinada.

La mezcla de agua y vapor que sale del evaporador, es separada en un botelln o recipiente de mezcla, de donde el agua es conducida a un colector mezclador en el cual por efecto de la mezcla con el agua proveniente del economizador es sub-enfriada por debajo del punto de evaporacin. De all aspira la bomba de recirculacin, que descarga en un colector comn, el cual alimenta directamente todos los cabezales de las paredes del hogar. El flujo recirculado es enviado desde la salida de las paredes del hogar cerca del recipiente de mezcla a travs de una simple lnea de recirculacin. Una vlvula de corte en esta lnea automticamente previene (cerrando) by-passeando el sistema cuando la recirculacin ha cesado a altas cargas de la unidad. El sistema de circulacin combinada, comparado con el de paso forzado puro, permite el empleo de tubos verticales en lugar de helicoidales, con lo cual se logra una construccin ms sencilla tal como se ve en la figura siguiente (3.2.25.).

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


46

Fig. 3.2.25.- Tipos de paredes de hogar de circulacin forzada (1) y combinada (2).

La figura 3.2.26. muestra un generador de este tipo se trata de una de las dos unidades instaladas en la central Trmica. Luis Piedrabuena de D.E.B.A. en Baha Blanca. La misma tiene las siguientes caractersticas: presin de vapor a la salida: 258 ate. Temperatura de vapor a la salida: 545C. Produccin de vapor: 1000 tn/h. presin de agua a la entrada: 313 ate. Temperatura de agua a la entrada: 270C.

Recalentador: Produccin: 815 Tn/h. Presin de entrada: 45,5 ate. Presin de salida: 43,5 ate. Temperatura de entrada: 309C. Temperatura de salida: 545C.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


47

Fig. 3.2.26.- Caldera de circulacin combinada apta para quemar carbn pulverizado, fuel-oil y gas.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


48

4. CIRCUITO AGUA - VAPOR4 .1 . ECONOMIZADORES

En unidad generadora de vapor, el economizador representa una seccin independiente de superficie de intercambio, que absorbe calor sensible de los gases de combustin para entregrselo al agua de alimentacin antes que la misma ingrese a la caldera. De esta manera se consigue bajar la temperatura de los gases y por lo tanto aumenta el rendimiento del generador de vapor, lo que implica una economa de combustible, de ah su nombre. El economizador es el ltimo o anteltimo (dependiente de la existencia del calentador de aire) equipo recuperativo interpuesto en la corriente de gases de salida. Esta disposicin hace que la transmisin de calor en el mismo se verifique fundamentalmente por conveccin. Bsicamente se construyen de dos tipos: los adyacentes y los integrales. Los integrales en su versin ms moderna son similares al haz convectivo de una caldera, o sea dos domos uno inferior y otro superior unidos por bancos de tubos que conforman la superficie de calefaccin, tal como se aprecia en la figura 4.1.1. El dimetro y el esparcimiento de los tubos pueden ser igual que el de la caldera, o pueden ser modificados para mejorar la absorcin de calor, perdida de tiro, velocidad de agua y las condiciones de lavado externo. El agua es alimentada por el colector inferior y fluye a travs de los tubos hasta el colector superior. Los gases fluyen de dos maneras a lo largo de los tubos, preferentemente entrando por la parte superior y bajando en forma recta a contracorriente del flujo de agua, o atravesando los tubos en un paso o mltiples pasajes. El economizador del tipo adyacente consta de colector inferior, por donde ingresa el agua, una tubera continua dispuesta en forma de serpentina horizontal que constituye la superficie de calefaccin y un colector donde se acumula el agua para su salida tal como se aprecia en la figura 4.1.2. La salida a su vez esta conectada a travs de una tubera con el interior del domo, del cual parte una lnea de recirculacin, utilizada en el arranque tal como se aprecia en la figura 4.1.3.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


49

Fig. 4.1.1.- Economizador integral de flujo transversal, equipado con mampa-ras para provocar mltiples pasajes de gases.

Fig. 4.1.2. Economizador del tipo adyacente de tubos conti-nuos aletados para aumentar la superficie de calefaccin

Fig. 4.1.3.- Economizador adyacente de flujo ascendente en caldera radiante, equipado con lnea de recirculacin para el arranque de la unidad.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera


50

Es siempre preferible que la corriente de gases atraviesen los tubos del economizador desde arriba hacia abajo y que el agua de alimentacin ingrese por la parte inferior y fluya hacia arriba a travs de los tubos. Este diseo a contracorriente adems de permitir obtener la mxima diferencia promedio de temperaturas para la transmisin de calor, reduce la superficie de calefaccin y las perdidas de tiro a un mnimo. El flujo ascendente del agua ayuda a evitar los golpes de ariete que pueden ocurrir en algunas situaciones.

Fig. 4.1.4.

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de Vapor 4.1.1. Criterios de Diseo

51

El economizador puede ser justificado solamente cuando es capaz de absorber calor a un costo menor que otros tipos de superficie de calefaccin. La temperatura del agua de alimentacin (como ya fue dicho) a la entrada del economizador es siempre menor que la de saturacin en la caldera. Dado que la superficie del economizador se encuentra a una temperatura ms baja que la superficie de caldera, el calor remanente en los gases pueden absorberse de una mejor manera (desde el punto de vista de la transmisin de calor) y los mismos pueden alcanzar temperaturas ms bajas con el economizador que con una superficie adicional de caldera equivalente. De manera que, en una unidad generadora de vapor existe usualmente un nivel de temperatura de gases a partir del cual resulta econmico suspender la absorcin de calor a travs de superficies que estn a la temperatura de saturacin y comenzar la absorcin en un economizador. Para evitar la evaporacin en el economizador, el diseo bsico debe permitir que las temperaturas del agua a la salida estn por debajo de la saturacin del vapor durante la operacin normal. Cuando no se usan precalentadores de aire la temperatura de gases a la salida del economizador, se fija efectuando un balance econmico entre el costo de la superficie de calefaccin del equipo y el ahorro de insumos de combustible. Esta configuracin resulta adecuada para calderas de produccin de vapor de hasta aproximadamente 20 tn/h, pudiendo ser las temperaturas de los gases luego de su paso por el economizador de alrededor de 150C para fuel-oil y de 110C para gas natural. Por el contrario cuando se usan precalentadores de aire la temperatura de salida de gases del economizador est determinada por la entrada a aqul, la cual deber ser lo suficientemente alta como para asegurar un calentamiento adecuado del aire de manera de obtener una buena eficiencia en la combustin. En este caso las temperaturas de salida de gases varan de acuerdo a la masa de aire a calentar, (produccin de la caldera) pero a ttulo orientativo pueden indicarse valores entre 390C y 290C. La superficie de calefaccin del economizador variar de acuerdo a la temperatura de entrada del agua de alimentacin. Para unidades de alta presin, este parmetro se determina por los puntos de extraccin de vapor de la turbina ms econmicos y crecer con el incremento de la presin, con la consecuente disminucin en el tamao del economizador debido a que la cantidad de calor a absorber es menor. La superficie de calefaccin se obtiene a partir de la aplicacin de la ecuacin de transferencia de calor, o sea: Ga . ia = K. tm . S . donde: Ga, masa de agua que circula por el economizador (kg/h). ia; Salto entlpico del agua al pasar por el equipo recuperador (kcal/kg) tm; media logartmica de temperaturas (C) 23/09/11 UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de Vapor S = Superficie de calefaccin (m2) K = Coeficiente de transmisin de calor total (kcal/ m2 C h)

52

K=

1 1 1 + ag. gas

De los grficos de las figuras 4.1.5. y 4.1.6. se pueden obtener los coeficientes de transmisin de calor por conveccin de los gases y del agua respectivamente ( gases agua)Fig. 4.1.5. Grfico para la determinacin de Conveccin forzada de agua dentro de los tubos

23/09/11

UNLZ Facultad

de Ingeniera

Mquinas trmicas Generadores de VaporFig. 4.1.6.- Grfico para la determinacin de:

53

4.1.2. Dimensionamiento

El empleo de lavado cido inhibido para la limpieza de la superficie interior ha simplificado el diseo de los economizadores. los tubos pueden ser continuos (en forma de ser

Documents

Maquinas Termicas - Gene Rad Ores de Vapor