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• Matias Mancilla

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Prof. Ing. Carlos Revilla Guía de Estudio – Generación de Potencia Tema 2 - Calderas INTRODUCCIÓN: El Tema de la generación de potencia es central para la industria en general, aunque probablemente esta expresión se pueda extender incluso hasta abarcar todos los ámbitos de la actividad humana. La ingeniería mecánica ha prestando especial atención a este campo en particular y ha creado métodos de generación de potencia a partir de variadas fuentes energéticas. En el presente tema se desarrolla el tema de las Calderas de Vapor, que es precisamente uno de estos medios ingenieriles que desde hace bastante tiempo ha servido para extraer potencia mecánica del vapor en expansión. Una caldera es un intercambiador de calor en el que la energía se aporta generalmente por un proceso de combustión, o también por el calor contenido en un gas que circula a través de ella. En ambos casos, el calor aportado se transmite a un fluido, que se vaporiza o no, y se transporta a un consumidor, en el que se cede esa energía. PARTE I – CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS: Existen diferentes criterios sobre los cuales e puede llevar a cabo la clasificación de las calderas, a continuación se procederá a clasificarlas por sus características más peculiares: Clasificación de las calderas por su aplicación: Teniendo en cuenta su aplicación, las calderas se clasifican en los siguientes grupos esenciales: · Para usos domésticos: Se utilizan para la calefacción doméstica, bien individual, o comunitaria de pequeño tamaño. Son de pequeñas potencias, y no se consideran dentro de la presente descripción. · Para generación de energía en plantas termoeléctricas: Se utilizan para la generación de vapor sobrecalentado a altas presiones, como fluido motriz de grupos turboalternadores, para generar energía eléctrica. Son de grandes potencias, y tampoco se van a considerar dentro del objetivo de la presente descripción. · Para plantas de cogeneración: Utilizan los gases calientes del escape de turbinas de gas, o de motores de explosión para que, circulando a través de ellas, cedan su calor para generar un fluido térmico que se transporta hasta un consumidor, donde cede su energía, que como el caso anterior puede ser vapor

sobrecalentado. Son calderas llamadas de recuperación, generalmente de grandes potencias. · Para aplicaciones marinas en barcos: Se instalan en los barcos como generadores de su vapor motriz. La presente descripción se ocupa solo de las calderas terrestres, pero, es evidente, que, las calderas marinas no difieren sensiblemente de las terrestres, si bien, se instalan hoy día en barcos en muy pocas ocasiones. · Para generación de energía en plantas industriales: Generan energía para consumo interior propio de una fábrica. Su instalación es estática y evidentemente terrestre y sus aplicaciones específicas son, fundamentalmente, las siguientes: 1.- Generación de vapor, para aplicaciones directas en procesos de producción.

Fig.2.1 – Esquema de una Central de Generación de Vapor Saturado

2.- En algunas aplicaciones puntuales, el vapor generado a alta presión es sobrecalentado y primeramente se le utiliza para producir energía eléctrica propia accionando un grupo turboalternador y utilizando el vapor de contrapresión a su salida para las aplicaciones directas en los procesos de producción.

Fig. 2.2 – Esquema de una central de generación de energía eléctrica con vapor a contrapresión para el proceso

3.- Generación de agua sobrecalentada para calefacción industrial de sus propias naves y para aplicaciones directas en procesos de producción.

Fig.2.3 – Esquema de una central de generación de agua sobrecalentada

Clasificación de las calderas por su diseño: Teniendo en cuenta el diseño, las calderas para generación en plantas industriales, se clasifican en dos grandes grupos: Pirotubulares, o de tubos de humos; y acuotubulares, o de tubos de agua. Calderas Pirotubulares:

Fig 2.4 – Calderas Pirotubulares de tres pasos con uno y dos hogares ondulados.

Se caracterizan porque la llama de la combustión se forma dentro de cada hogar cilíndrico de la caldera, pasando los humos generados por el interior de los tubos de los pasos siguientes (normalmente dos), para ser conducidos a la chimenea de

evacuación. De ello, su otro nombre de calderas de tubos de humo. En estas calderas, tanto los hogares, como los tubos de humo están en el interior de la virola, completamente rodeados de agua. Para generar vapor, se regula el nivel medio del agua en su interior, de forma que varíe dentro de una banda prevista, sirviendo su cámara superior de separador del vapor generado, desde donde sale al consumo por la tubuladura de salida. Para generar agua sobrecalentada, la caldera está completamente inundada, siendo iguales los conductos de entrada y salida de agua. Las calderas para generar fluido térmico, son similares a las de generación de agua sobrecalentada, pero más simples en su construcción. Tienen escasa demanda, por lo que se excluyen de la presente descripción. Para la selección de compra de las calderas pirotubulares, se deberá tener en cuenta el estricto cumplimiento de las siguientes características esenciales: 1.- Que los hogares interiores, en los que se forma la llama sean ondulados en toda su longitud. 2.- Que tenga tres pasos de humos, el primero a través de los hogares, y los restantes a través de los tubos de humo. 3.- Que tengan dos hogares (un quemador en cada hogar) a partir de una determinada potencia, normalmente, de 20 t/h de vapor en adelante 4.- Que no tengan cierres de estanqueidad de gran tamaño en la cámara de agua. Ventajas: • • • •

Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño. Mayor flexibilidad de operación. Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación. Son pequeñas y eficientes.

Inconvenientes: • •

Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento. No son empleables para altas presiones (operan de 0-300 PSIG).

Calderas Acuotubulares, o de tubos de agua: Por tener mayor seguridad, este tipo de caldera en general ha desplazado a las calderas de humo excepto en casos especiales como los diseños de calderas unitarias pequeñas y las de calor de desecho para aplicaciones de presión media y baja.

Se caracterizan porque la llama de los quemadores se forma dentro de un recinto formado por paredes tubulares en todo su entorno, que configuran la llamada cámara de combustión, pasando los humos generados por el interior de los pasos siguientes, cuyos sucesivos recintos están también formados por paredes tubulares en su mayoría. La cualidad que diferencia a estas calderas es, que todos los tubos que integran su cuerpo, están llenos de agua o, al menos, llenos de mezcla agua-vapor en los tubos hervidores, en los que se transforma parte de agua en vapor cuando generan vapor como fluido final de consumo. Estas calderas pueden generar indistintamente, vapor, o agua sobrecalentada. Cuando las calderas se destinan a la generación de agua sobrecalentada no disponen de calderines, o la distribución de agua a los tubos de las paredes se realiza por medio de colectores.

Fig.2.5 - Esquema de flujo de una caldera de generación de agua sobrecalentada

En las calderas acuotubulares la circulación del agua por su interior es forzada por medio de las bombas de circulación. En las calderas de generación de vapor se regula el nivel medio de agua en el calderín superior, de forma que varíe dentro de una banda prevista, sirviendo la cámara superior de separador del vapor generado, desde donde sale al consumo por la tubuladura de salida. Para la selección de compra de estas calderas acuotubulares, se deberá tener en cuenta el estricto cumplimiento de las siguientes características esenciales: 1.- Que el cuerpo externo y los recintos interiores, salvo en sus caminos de circulación de los humos, sean completamente estancos, para que la combustión se efectúe a sobrepresión (presurizada). 2.- Que el cuerpo sea completamente autoportante, es decir, que no se precisen estructuras adicionales para la estabilidad del cuerpo de caldera. Ventajas: •

Pueden ser puestas en marcha rápidamente

•

Trabajan a 300 o mas psi.

Inconvenientes: • Mayor tamaño y peso, mayor costo. • Debe ser alimentada con agua de gran pureza. Calderas de Gran Presión: Para algunas centrales de las llamadas "alta presión" se han construido calderas, en Estados Unidos, con una presión de trabajo de 84 Kg/cm2. Estas calderas se han formado con tubos hervidores; paredes de agua y cuerpos cilíndricos generadores de vapor y no son adecuadas para presiones muy altas. En Europa principalmente, se han construido calderas especiales para trabajar a presiones superiores, hasta la crítica del vapor. Todas estas calderas de gran presión se caracterizan por el uso de un calderín muy pequeño, separador de vapor o incluso sin calderín. Los siguientes son, sin duda los mejores tipos de calderas de gran presión: Caldera La-Mont: Su característica sobresaliente es la circulación forzada a través de los tubos hervidores. El agua de la caldera pasa desde el tambor, que se coloca prácticamente fuera de la propia caldera, al tubo de aspiración de la bomba de circulación. Esta bomba vence los rozamientos a través de todo el circuito, incluyendo las pérdidas de carga en el distribuidor cuyos orificios distribuyen el agua de alimentación de alimentación de acuerdo con la absorción térmica, de cada tubo. La presión que debe vencer la bomba es la del rozamiento del agua en el circuito, unas 2,5 atmósferas, lo que representa un 0,5% de la energía producida por la caldera. Vamos a considerar ahora algunas de las ventajas de este tipo de caldera. Debido a la gran velocidad de circulación, es evidente que se reduce la posibilidad de formar incrustaciones. Por la misma razón, la caldera puede ponerse en presión en tiempo mucho menor; calentándose todas sus partes por un igual sin peligro de sobre tensiones de importancia. Pueden usarse diámetros menores de tubos y mayores longitudes de los mismos, consiguiendo mejor transmisión térmica y una importante disminución del peso total de la caldera. Además siendo el porcentaje de energía consumido por la bomba impulsora una parte pequeña de la producida por la caldera, incluso a presiones muy elevadas, el funcionamiento resulta económico en toda la zona de presiones hasta llegar a la crítica. Caldera Loeffler: Esta caldera fue desarrollada primeramente por la Corporación Siderúrgica de Vitkoviz, de Checoeslovaquia. Fue el resultado de los intentos para conseguir

mejor utilización del contenido térmico del vapor. Ella se llevó a cabo haciendo prácticamente posible generar y utilizar vapor a la presión, de 133 Kg/cm 2 y a la temperatura de 482°C. Posee un recalentador por radiación que envuelve al hogar; un recalentador por convección sobre el hogar; un calderín situado en un punto conveniente fuera del hogar; una bomba de alimentación; un economizador; un calentador del aire. Se usa una bomba de circulación de vapor para extraerlo del calderín y lanzarlo a través de los recalentadores de radiación y de convección, montados en serie, hasta una bifurcación en las tuberías tras la cual una parte del vapor, se destina al consumo y el resto se devuelve al calderín D. El vapor recalentado que ha pasado por la bifurcación y vuelve al calderín cede su recalentamiento y produce una cantidad adicional de vapor saturado. El agua de alimentación es introducida por la bomba, pasando previamente por el economizador y luego entra en la línea de vapor donde tiene lugar alguna evaporación; entonces, la mezcla de vapor y agua entra en el calderín por encima del nivel de agua del mismo. Tan sólo una pequeña parte del vapor procedente del recalentador por convección pasa a la corriente principal de vapor de consumo, volviendo el restante al calderón. Vamos a discutir algunas de las ventajas de este tipo de caldera. Todo el vapor se genera en recipientes no expuestos directamente al calor del hogar, conteniendo los tubos sólo vapor denso y seco a una' presión aproximada de 133 Kg/cm2. Debido al gran consumo de vapor que se tendría con baja presión en la caldera, no es aconsejable el empleo de la caldera Loeffler a presiones inferiores a 105 Kg/cm2. Se están haciendo ensayos para conseguir una, reducción en el consumo de vapor de la bomba de circulación, a fin de hacer practicab1e el trabajo con una presión de 50 Kg/cm2. El bajo peso específico (3,36 Kg/m3) hace económicamente posible la circulación del vapor por bomba, y la velocidad de circulación es tal que permite trabajar con escaso desnivel térmico entre el vapor y la pared metálica. Se consiguen una velocidad de 19 m/seg y un coeficiente de transmisión de 180000 Kcal por hora, m2 y °C, sin recalentar los tubos. La pureza del agua de alimentación es de importancia secundaria, pues no se presentan incrustaciones en los tubos, ya que todas las sustancias precipitables se depositan en el calderón fuera del hogar. Caldera Ramsin: En este modelo la corriente sólo circula una vez. Después de pasar a través del economizador, el agua de alimentación asciende por varios circuitos espirales; paralelos en el hogar, usándose tubos de diámetro menor en el extremo inferior del hogar, que los de la parte superior. Los tubos son dispuestos de tal manera que forman una pantalla contra escorias delante del recalentador. Debe usarse una severa regulación, porque la cantidad de agua almacenada es exigua y el peligro de requemar un tubo por quedar en seco es evidente. Las sales presentes en el agua de alimentación se depositan en la parte superior, del hogar y ésta es la zona de transición. Sólo pueden usarse soluciones ácidas diluidas

para eliminar los precipitados e incrustaciones. La caída de presión desde la entrada del economizador hasta la salida del recalentador se eleva a varias decenas de kilogramos. Caldera Schmidt-Hartmann: Esta caldera tiene en realidad dos circuitos. Puede tener circulación natural o forzada, según lo requiera la presión de trabajo. El agua que sale del tambor separa dar se mantiene separada del agua de alimentación y se hace circular de nuevo. El agua de alimentación entra en los cuerpos cilíndricos principales de la parte superior y se vaporiza por el vapor producido en el primer circuito o circuito del separador. Este vapor, a presión inferior a la del vapor primario, se recalienta por convección y se envía a las turbinas. De hecho, esta caldera es un evaporador que usa vapor de un circuito para producir vapor en un segundo circuito. En los modelos de mayor presión se emplean boquillas u orificios para repartir el agua a los diversos tubos desde el calderín distribuidor. Se prevén amplias superficies para que la capacidad no quede demasiado afectada por la formación de incrustaciones en las paredes de los tubos. Caldera Benson: Fue fabricada por la Siemens-Schuckert y ha sufrido diversas modificaciones. Es la primera caldera proyectada para trabajar a la presión crítica (224 Kg/cm2) o muy cerca de ella y se caracteriza por la ausencia de tambores separadores. Es una caldera vertical con hogar enfriado por agua, construido en forma helicoidal. El polvo de carbón, que es el combustible que se suele usar, se quema con dos mecheros verticales invertidos. Los gases de la combustión descienden hasta el fondo del hogar, se dividen y ascienden atravesando un economizador de radiación y otras superficies absorbentes de calor hasta el calentador de aire. Un ventilador de aspiración hace pasar los gases a través del calentador de aire y los descarga en la chimenea. El aire primario y el secundario para la combustión son suministrados por un ventilador de tiro forzado. El agua de alimentación entra por el fondo del hogar y pasa a través de un economizador caldeado por radiación. Luego pasa a la mitad superior de la cámara de combustión a través de la zona de radiación primaria, donde se calienta casi hasta, la temperatura crítica, abandona esta zona de radiación y entra en la llamada zona de convección, situada en una región de baja temperatura de humos. Éstos se encuentran a 980°C al entrar en la zona y salen de ella a 455°C. El agua de alimentación se ha convertido en vapor ligeramente recalentado a 377 °C y este vapor pasa a la zona de radiación secundaria del hogar, donde se prosigue el recalentamiento, que se termina en el recalentador de alta presión situado en el extremo inferior del segundo paso. Si se desea reca1entamiento intermedio en la máquina, puede instalarse un juego de serpentines recalentadores entre el recalentador final y la zona de convección. Son evidentes algunas de las ventajas de este tipo. La caldera forma un todo que puede colocarse en cualquier sitio, tiene una sola circulación y carece de

recipientes costosos. Necesita regulación, puesto que es de pequeño volumen de agua y responde con presteza al mando de la combustión. La regulación se basa en que siempre debe existir una, relación constante entre el carbón, el agua y el aire. A carga constante el operador varía la relación entre estos tres elementos para conseguir una temperatura constante. Caldera Velox: La caldera de vapor Velox es también de circulación forzada con varias novedades interesantes, y parece ser una de las aplicaciones de más éxito de la turbina de gas. Un compresor, movido por turbina de gas, eleva la presión del aire de combustión hasta: 1,55 Kg/cm2. En el mismo árbol se montan las bombas de circulación y de combustible, y el motor. La cámara de combustión va forrada con tubos verticales de unos 10 cm de diámetro que contienen agua. Cada uno de estos tubos contiene tres pequeños tubos de una pulgada (25,4 mm) de diámetro a través de los cuales circulan los gases de la combustión a velocidades cercanas a los 250 m/seg; estos tubos interiores son la parte de superficie de calefacción donde se obtienen enormes cifras de absorción térmica. El calor radiante del hogar por otra parte caldea por fuera los grandes tubos de envoltura. Los gases salen de la cámara de combustión a 1760°C y reducen su temperatura hasta los 800°C al pasar a través de los pequeños tubos interiores; puesto que a estos tubos siguen unos difusores, hay poca pérdida de presión. Los gases pasan entonces a los recalentadores donde su temperatura desciende a 480°C antes de alcanzar la turbina de gas. En ésta, la temperatura desciende hasta los 370°C y la turbina los 1anza al economizador a velocidades de unos 120 m/seg, descargando el gas a unos 93°C. La superficie de calefacción que rodea a la cámara de combustión va llena completamente de agua circulante, en cantidad de diez a veinte veces la de vapor que se genera. La mezcla de vapor y agua: se separa con ayuda; de un mecanismo semejante a un ciclón o separador centrífugo, pasando el vapor a un recalentador y descendiendo el agua a una cámara inferior que actúa como depósito de agua caliente. En el fondo de este depósito se acumulan los lodos y de allí pueden ser expulsados. El contenido de humedad del vapor al abandonar el separador centrífugo no debe exceder de 2%. Se asegura que a esta caldera no le afecta el agua dura, porque las substancias incrustantes permanecen en solución. Caldera Steamotive: Aun cuando en principio fue proyectada sólo para locomotoras, halló aplicación en el campo de las pequeñas calderas fijas, cuando el espacio ocupado era esencial. Desde los mecheros pasan la llama a los gases horizontalmente a través de un hogar totalmente refrigerado por agua, luego suben y retroceden 180 grados para entrar al recalentador, alrededor del separador y pasar a través del economizador y del calentador de aire. El aire necesario para la combustión se suministra a presión suficiente para que pasen él y los gases de la combustión por todo el circuito, no usándose aspirador alguno.

El agua de alimentación, al salir del economizador, se divide en cinco circuitos, los del fondo, paredes y cielo del hogar, y dos serpentines en el tabique de separación de hogar y caldera. Todo el vapor se genera en el hogar, y la mezcla de vapor y agua pasa al separador. El agua sobrante del evaporador pasa a un recuperador, luego a un pozo de condensación, donde se mezcla con el condensado, y finalmente pasa a alimentar la caldera. El vapor se recalienta, con regulación de la temperatura, y se envía a la turbina. No hace falta una vigilancia estricta, porque en el separador hay reservas de agua. Se usa una bomba, de émbolo para la alimentación con el impulsor de aire montado sobre el mismo árbol. Conclusión: Según la combinación de los distintos componentes: Hervidores, Hogares, Quemadores, Ventiladores y Controles los fabricantes de Calderas han creado una variedad muy amplia de Generadoras de Vapor para rangos de presión de operación bajos, medios y altos. Resulta difícil hacer una clasificación que abarque la totalidad de las Calderas existentes puesto que la variedad es extensa, además de lo dicho en esta parte también pueden clasificarse según el combustible que utilice (sólido, líquido, gaseoso, mixto), según el modo de transferencia de calor predominante (Radiante, por convección, o por conducción), según el origen de la energía térmica (Calderas Nucleares, Calderas de Combustión), según el hervidor (Caldera con Domo o tambor [Drum Type Boiler] y Caldera de un solo paso [Once-Through Boiler]), entre otros criterios. PARTE II - FLUJO NATURAL Y FORZADO: Circulación del agua dentro de la Caldera: Se requiere una circulación adecuada en la sección de generación de vapor de una caldera, para evitar el sobrecalentamiento de las superficies absorbentes del calor, y puede lograrse en forma natural por las fuerzas gravitacionales, mecánicamente por medio de bombas, o por una combinación de los dos métodos. Bien sea que la circulación se logre de forma natural o forzada, es esencial que siempre se mantengan mojadas las superficies interiores con agua de la mezcla bifásica vapor-agua, esto evitará el mencionado sobrecalentamiento de las superficies absorbentes del calor. Las calderas de domo, independientemente del tipo de circulación, trabajan con temperaturas que son esencialmente las del vapor saturado en todas las partes de las secciones generadoras de vapor.

Flujo Natural: El Flujo natural se produce por la diferencia en las densidades del agua en los tubos descendentes no calentados y la mezcla de vapor y agua en los tubos calentados, del generador de vapor. Este diferencial de densidad proporciona una gran fuerza de circulación. Los tubos de bajada y los circuitos calentados se diseñan de tal manera que la fricción, o la resistencia al flujo, a través del sistema, equilibra la fuerza de circulación en el flujo circulante total deseado.

Fig.2.6 – Esquema de Caldera de Circulación Natural

Flujo Forzado: Las calderas del tipo de recirculación o circulación forzada, utiliza domo de vapor similar al que s emplea en las calderas de circulación natural. El suministro de agua a las paredes del hogar y a las superficies de la caldera fluye de este domo a una bomba de circulación la cual suministra la presión necesaria para forzar el agua por los circuitos de la mezcla agua vapor y de regreso al domo, donde se separan el vapor y el agua. La cantidad de agua bombeada por lo común es de 4 a 6 veces la cantidad de vapor generado. La bomba de recirculación produce una presión diferencial de 30-40 psi (2,1 – 2,8 Kg/cm2) y la potencia necesaria equivale a cerca del 0,5% de la entrada de calor a la caldera. Se necesitan orificios de restricción a la entrada de cada tubo o circuito, para controlar la distribución de flujo. En los diseños de circulación forzada, las velocidades o flujos son independientes de la capacidad nominal de la caldera, con lo cual se facilita el uso de una tubería común de conexión de tamaño menor y, en algunos casos, un tubo especial de menor diámetro en la pared del hogar que el que se emplea en las unidades de circulación natural.

Fig.2.7 – Esquema de Caldera de Flujo Forzado

En calderas de flujo forzado y de paso único, el agua que proviene del suministro para el sistema se bombea hacia la admisión de los circuitos de absorción de calor. La evaporación o cambio de estado se efectúa a lo largo de toda la extensión del circuito y cuando la evaporación se completa el vapor se sobrecalienta, Estas unidades no requieren de domos de vapor o de agua, y en la mayoría de los casos se usan tubos con diámetros relativamente pequeños. Éstas calderas pueden arrancarse rápidamente debido a la ausencia del domo y a la cantidad reducida del metal.

Fig. 3.8 – Esquema de una caldera de un solo paso

Flujo Combinado: Las unidades de circulación combinada, utilizan flujo forzado de paso único con recirculación de flujo en las paredes del hogar para suministrar velocidades satisfactorias del agua durante las operaciones de arranque y baja carga. En este diseño parte del agua a la salida de los circuitos del hogar, se mezcla con el agua de alimentación que entra, fluye hacia una bomba de circulación, pasa por esta y a continuación pasa a los cabezales de admisión de las paredes del hogar. El uso de la circulación combinada, aumenta la velocidad del agua en los tubos del hogar a bajas cargas, y puesto que no se aplica recirculación en cargas más altas no hay incremento en la velocidad ni en la resistencia al flujo con esas cargas más elevadas.

PARTE III – COMPONENTES PRINCIPALES DE UN GENERADOR DE VAPOR: A continuación se definirán los componentes más importantes que pueden ser encontrados en un generador de vapor acuotubular o pirotubular, de más de un paso: Domo ó Hervidor: Este componente es también llamado Caldera, es un recipiente metálico diseñado con las condiciones de presión a las que debe trabajar el generador de vapor. La función básica del domo es la de separar el vapor de la mezcla vapor-agua y mantener el vapor seco. En las unidades que no tienen economizador, es en el domo donde se dispone el agua previamente tratada y desde ahí se distribuye por todos los tubos del circuito bien sea por medio de flujo natural o por flujo forzado. En las unidades con economizador, el agua es precalentada en el economizador antes de ser llevado al domo. Aquellas unidades denominadas “de un solo paso” carecen de domo. Hogar: Un hogar es una cámara donde se efectúa la combustión. La cámara confina los productos de la combustión y debe resistir las altas temperaturas que se presentan y las presiones que se utilizan. Sus dimensiones y geometría se adaptan a la velocidad de liberación de calor, al tipo de combustible y al método de combustión, de tal manera que se haga lo posible por tener una combustión 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 métodos de combustión. El enfriamiento por agua de las paredes del hogar reduce la transferencia de calor hacia los elementos estructurales y como consecuencia puede limitarse su temperatura a la que satisfará los requisitos de resistencia mecánica y resistencia a la corrosión. Las construcciones de tubos enfriados por agua, facilitan el logro de grandes dimensiones del hogar, y óptimas de techos, tolvas, arcos y montajes de los quemadores, así como el uso de pantallas tubulares, planchas o paredes divisorias para aumentar la superficie absorbente del calor en la zona de combustión. También reducen las pérdidas del calor al exterior. Las superficies absorbentes de calor en el hogar, lo reciben de los productos de

combustión y en consecuencia contribuyen directamente a la generación de vapor, bajando al mismo tiempo la temperatura de los gases que salen del mismo. Los principales mecanismos de transferencia de calor se efectúan de forma simultánea, estos mecanismos incluyen la radiación entre sólidos, que proviene del lecho de combustible, o de las partículas de combustible, la radiación no luminosa de los productos de la combustión, la transferencia de calor por convección de los gases del hogar, y la conducción de calor a través de los materiales metálicos de los depósitos y tubos. La eficacia de la absorción de la superficie del hogar es influida por los depósitos de cenizas o de escoria. Las temperaturas del gas de salida del hogar, varían considerablemente cuando se quema carbón, debido al efecto de aislamiento de los depósitos de ceniza y escoria sobre las superficies de absorción de calor. La cantidad de superficie es el factor más importante en la absorción global de calor en el hogar y por tanto el calor liberado y disponible para absorción por hora y por pie cuadrado de área absorbente efectiva es una base satisfactoria para establecer una correlación. El calor liberado y disponible para la absorción es la suma del contenido calorífico del combustible quemado, y el calor sensible del aire de combustión, menos la suma del calor no disponible debido a la parte del combustible que no se consumió y el calor latente del vapor formado por la humedad en el combustible y la combustión del hidrógeno. Las paredes del hogar deben estar soportadas de forma adecuada tomando en cuenta la expansión térmica con montantes de refuerzos para resistir las fuerzas laterales causadas por la diferencia entre la presión del hogar y la de la atmósfera que lo rodea. La cubierta del hogar debe evitar la infiltración del aire, cuando se opera con succión y debe evitar la fuga de gas, cuando se opera a presiones más altas que la atmosférica. Sobrecalentador y Recalentador: La adición de calor al vapor después de la evaporación o el cambio de estado, viene por un aumento en la temperatura y la entalpía del fluido. El calor se agrega al vapor en componentes de la caldera llamados sobrecalentadotes y recalentadores, los cuales se componen de elementos tubulares expuestos a los productos gaseosos a alta temperatura de la combustión. Las ventajas del sobrecalentamiento y recalentamiento en la generación de potencia son resultado de la ganancia termodinámica en el Ciclo de Ranking y de la reducción de las pérdidas de calor debidas a la humedad en las etapas de baja de presión en la turbina. Con presiones y temperaturas altas del vapor se dispone de más energía útil, pero los avances hacia temperaturas altas del vapor a menudo son restringidos por la resistencia mecánica y la oxidación del acero y de las aleaciones ferrosas con los que se cuenta en la actualidad y son económicamente prácticos para su uso en la parte a presión de las calderas y en

las construcciones de alabes de las turbinas. El término “sobrecalentado” se aplica al vapor de más alta presión y el de “recalentado” se refiere al vapor de presión más baja que ha liberado parte de su energía durante la expansión en la turbina de alta presión. Con presión de vapor inicial alta pueden emplearse una o más etapas de recalentamientos con el fin de mejorar la eficiencia térmica. Se clasifican en dos grandes grupos: Radiantes o de Convección. Sobrecalentadores Radiantes: Por lo general se disponen para expansión directa a los gases del hogar y, en algunos diseños, forman parte de la cubierta de éste. En otros diseños, la superficie se dispone en forma de espiras tubulares o planchas, con amplio espaciamiento lateral extendiéndose hacia el hogar. Esta superficie se expone a los gases a alta temperatura del hogar que se mueve a velocidades relativamente bajas, así que la transferencia de calor se hace por radiación. Sobrecalentadores de Convección: Se instalan más allá de la salida del hogar, donde la temperatura del gas son más bajas que las de las zonas en las que se usan los sobrecalentadores de tipo radiante. Por lo común, 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 través de la corriente de gas, con el gas fluyendo a través de los espacios relativamente angostos entre los tubos. Se obtienen gastos elevados de gas y en consecuencia velocidades altas de transferencia de calor por convección a expensas de la caída de presión de gas a través del banco de tubos. Spray Atemperador: Los atemperadores, también conocidos como desobrecalentadores, son boquillas atomizadotas en los tubos de la caldera entre los sobrecalentadores. Estas boquillas atomizadotas suministran un fina niebla de agua pura en el camino del flujo del vapor para prevenir el daño del tubo por sobrecalentamiento. Los Atemperadores son provistos tanto para los sobrecalentadores como para los recalentadores. Economizador: Los economizadores eliminan el calor de los gases de combustión con temperaturas moderadamente bajas, después de que salen de las secciones de generación de vapor y del sobrecalentamiento y/o recalentamiento. Los economizadores son en realidad calentadores de agua de alimentación que las

reciben de las bombas de alimentación y la descargan a una temperatura más alta al generador de vapor. Los economizadores se usan en lugar de incrementar la superficie generadora de vapor, ya que el agua de alimentación y en consecuencia la superficie que recibe calor están a temperatura más bajas que las del vapor saturado, por tanto los gases pueden enfriarse hasta temperaturas aún más bajas para lograr mayor recuperación de calor y mejorar la economía. Se clasifican como de los tipos de tubos horizontales y verticales, de acuerdo con la disposición geométrica; de flujo longitudinal o cruzado según la dirección del gas con respecto a los tubos; de flujos en paralelo o de contra-flujo, según la dirección relativa del flujo de gas y de agua; como generadores o no generadores de vapor, según el rendimiento térmico; como de tubos continuos o como tubos en U, según los detalles de diseño; y como de tubos desnudos o con superficies extendidas, según el tipo de superficie absorbente del calor. Precalentadores de Aire: Los precalentadores de aire al igual que los economizadores extraen calor de los gases de combustión con temperaturas relativamente bajas. La temperatura del aire de entrada es menor que la del agua que entra al economizador y por tanto es posible reducir aún más la temperatura de los productos gaseosos de la combustión, antes de que se descarguen en las chimeneas. El calor que se recupera de los gases de la combustión se recicla al hogar junto con el aire de combustión y cuando se agrega a la energía térmica liberada por el combustible, se convierte en energía disponible para la absorción en la unidad generadora de vapor, con una ganancia en la eficiencia térmica global. El uso de aire precalentado para la combustión acelera la ignición y fomenta una combustión rápida y completa del combustible. Los calentadores de aire se clasifican en general como: Recuperativos o Generativos. En ambos se usa la transferencia por convección del calor, de la corriente del gas a un metal o una superficie sólida y la transferencia por convección de esta superficie al aire. Recuperativos: En éstos, las partes metálicas estacionarias forman una frontera de separación entre los fluidos, el que se calienta y el que se enfría, y el calor pasa por conducción a través de la pared metálica. Regenerativos: Hay dos tipos básicos, en el primer tipo, los elementos de transferencia de calor se mueven alternadamente a través de las corrientes de gas y aire que pasan por ciclos sucesivos de calentamiento y enfriamiento, y reciben la transferencia de calor por la capacidad de almacenamiento térmico de los elementos. En el otro tipo de precalentador regenerativo, tiene elementos estacionarios y el flujo alterno del gas y del aire se controla al hacer girar las conexiones de entrada y salida. - Fin del Tema 2 -