• Author / Uploaded
• Erick Salvador

Citation preview

Pontificia Universidad Católica de Valparaíso Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química

Trabajo de Investigación

Calderas y Generadores de Vapor Integrantes: David Araya Nieto Sebastián Gatica Ojeda Erick González Arce Profesor: Jorge Santana

Viernes 19 de Diciembre de 2010, Valparaíso, Chile

3

Índice Introducción

4

1 Conceptos generales de las calderas y Generadores de Vapor 1.1 Definición de Caldera 1.2 Clasificación 1.3 Componente de diseño de un generador de vapor 1.4 Aplicaciones de los Generadores de Vapor 1.5 Controles para manejo y seguridad 1.6 Fallas

5 5 5 10 30 33 36

2 Calderas Acuotubulares, Pirotubulares y equipos auxiliares 2.1 Generadores de vapor Acuotubulares 2.2 Generadores de vapor Pirotubulares 2.3 Equipos Auxiliares

38 38 48 54

3 Termodinámica de un caldera o Generador de Vapor 3.1 Introducción 3.2 Propiedades de vapor y el agua 3.3 Transferencia de calor 3.4 Reacción Teórica 3.5 Análisis de potencia de la caldera

55 55 55 61 62 62

3.6 Eficiencia de la caldera 3.7 Análisis al combustible 3.8 Balance de energía para sistemas en estado permanente con flujo permanente y reacciones químicas 3.9 Etapa de reacción y poder calorífico de los combustibles 3.10 Capacidad de producción de vapor de la caldera 3.11 Comportamiento de las calderas 3.12 Balance térmico a los generadores de Vapor

64 64

Conclusión Bibliografía

73 74

65 66 67 69 70

4

Introducción La maquina vapor fue una de las primeras formas que el ser humano modifico su vida y el mundo, con ese invento permitió que el hombre realizar cosa que ante no podíamos hacer como desplazamientos mas rápido como la locomotora o la generación de energía eléctrica. Este gran éxito se debió a un sola cosa el vapor que si ella estos aparatos no funcionarían. Pero como se produce vapor es hay donde la caldera y generador de vapor cobran una gran importancia, ya que estos son los encargado de que por una reacción química o termodinámica nos produzcan el efecto de que el agua liquida se evapore hasta convertirse en un vapor. Estos generadores de vapor son de gran importante industrial, porque toda industria necesita en menor o mayor grado vapor en sus proceso ya se como fuente de producción de energía o de otras formas.

Es por eso necesario saber el funcionamiento y requerimientos de cada caldera o generador de vapor. Pero no solo de analizar el funcionamiento de caldera ,sino además ver temas medio ambiental de cada caldera o generador de vapor, ya que en estos tiempos donde el medio ambiente es parte fundamental de un desarrollo su estudia esta muy bien preponderante en nuestro trabajo como ingeniero químicos que somos.

5

1 Conceptos generales de una caldera y generador de vapor 1.1Definición de caldera Una caldera, como su nombre indica, es un dispositivo que hierve agua para producir vapor. Más científicamente, una caldera convierte la energía química del combustible en la energía térmica. Esta energía puede ser transferida directamente al agua para transformarla en vapor, o también trasferirla a los gases de combustión y estos a al agua para convertir en vapor. La forma más antigua y un ejemplo de caldera es el hervidor de agua. Por lo tanto las calderas también son llamados generadores de vapor. Por lo tanto definición de caldera es un recipiente de presión que produce un vapor a una presión superior de 2 bar. , sin embargo no existe una definición universal.

1.2 Clasificación de calderas Las calderas han estado de principios del siglo XVIII no eran más que grandes ollas. Desde aquellos primeros días calderas han hecho grandes progresos en términos de tamaño, variedad, flexibilidad, versatilidad, fiabilidad y complejidad. Un intento de clasificar las calderas se realiza en las siguientes secciones. Hay varias formas de clasificar las calderas como se muestra en las siguientes secciones. La lista abarca casi todos los tipos.

1.2.1 Clasificación según el combustible empleado Basándose en el combustible empleado, los generadores se pueden clasificar en fuel oil, gas natural, carbón (o lignito), y generadores de combustible de bajo grado. En la figura 1.1 se muestran los tipos de combustible utilizado.

6 Figura 1.1. Tabla de combustibles de caldera
Los generadores de fuel – oil: Estos generadores requieren la instalación de almacenamiento, así como tanques de servicio, donde el aceite se calienta eléctricamente para el inicio ya través de vapor de 30/40 ◦ C, y una planta de bombeo y de calentamiento para reducir la viscosidad en el valor requerido para obtener una buena combustión. La colocación de los quemadores es típicamente horizontal. También se puede colocar vertical o inclinada, y en el caso de grandes unidades, quemadores inclinable se emplean para poder variar la radiación de calor en el horno, es decir, cuando es necesaria debido a las variaciones de la producción.
Los generadores de Gas Natural (gases): Estos generadores se alimenta gas natural la pocos 1000 Pa presión (con exclusión de quemadores especiales de alta presión con aire aspirado). Por lo tanto, debe ser descomprimido antes de que sea llevado a los quemadores de gas red. Es muy importante obtener una mezcla eficiente entre el aire y el gas. Aunque el peligro de explosiones es bastante alto, teniendo en cuenta que este gas produce una mezcla altamente explosiva al entrar en contacto con el aire. Esto debe tenerse en la planificación de mecanismos de protección adecuados. Entre los generadores de gas, no podemos olvidarnos de los que utilizan, por ejemplo, gas de refinería, gas de horno de coque y gas de alto horno. El uso de estos combustibles es obviamente limitado a las industrias en desarrollo como un subproducto de sus procesos de producción.
Los generadores de carbón (sólidos): se quema en una parrilla o en los quemadores especiales después de la pulverización. En las unidades grandes, se quema el carbón pulverizado, con frecuencia como una alternativa al fuel-oil o gas natural. El uso de carbón pulverizado se limita a las grandes unidades porque estas justificar la instalación costosa de la media necesaria, pulverización y sistemas de transporte. En los generadores que utilizan carbón pulverizado, las tolvas de carga alimentada por cintas transportadoras en a su vez alimentan las plantas a través de un dispositivo de medición , donde el carbón es fino pulverizado y llevó a los quemadores a través del aire bombeado

1.2.2 Basada en la transferencia de calor Según la transferencia de calor se dividen en por convención, radiación o calentamiento directo. En primer lugar, tenga en cuenta que la caldera se compone mayor parte de los tubos de producción de vapor, es decir, los tubos de transformación del agua en vapor saturado. Por lo tanto, el economizador y el aire calentador, así como

7 el sobrecalentador y recalentador posibles, se incluyen en el generador de vapor son equipos que funcionan por transferencia de calor por convención. En general, los generadores por radiación el calor es predominantemente transferido a través de la radiación, mientras que en los generadores de calor por convección se transmite principalmente por convección.
generadores de convección son los generadores de tubos de humo y la mayoría de los generadores de tubos de agua de la pequeña y mediana potencia en el banco de tubos de vapor-es importante en términos de intercambio de calor.
Los generadores de radiación son unidades de gran alcance en los tubos de vapor, se encuentran sólo en las paredes del horno, o, en algunos casos, hay un banco de tubos modesta producción de vapor. En el primer caso, es estrictamente un generador de radiación, en el segundo caso es todavía una definición aceptable, dada el predominio de calor irradiado en el horno.

1.2.3 De acuerdo con la circulación del vapor Con base en el tipo de circulación, son generadores de circulación natural, los generadores de circulación asistida, y los generadores de circulación obligada.
Circulación natural: la circulación del agua y de la mezcla agua-vapor (en los tubos de vapor) se produce de forma natural., es decir que, la circulación se lleva a cabo debido a la diferencia en la densidad del agua caliente dejando el tambor y la alimentación de las parte baja a la caldera y la densidad de la mezcla agua-vapor de regresas al tambor a través de la tubos de vapor. (ver figura 1.2)

8 Figura.1.2. sistemas de circulación natural. La mezcla de vapor- agua se almacena en el tambor por diferencia de densidad en la vapor deja el tambor y el agua caliente regresa a la caldera y el vapor producido vuelve a al tambor.
Los generadores con circulación asistida: no se diferencian de las anteriores desde el punto de vista estructural, con la salvedad de que la circulación en los tubos de la caldera no se produce naturalmente, pero con la ayuda de bombas en su lugar (ver figura. 1.3). Incluso en este caso, la caldera se compone de un circuito cerrado. La bomba de intervenir con su cabeza añadido a la cabeza entre la parte superior del tambor y los encabezados de menor vinculados a los tubos de vapor-facilita la circulación del agua y la mezcla de agua y vapor en el circuito. Esto conducirá a un correcto funcionamiento de la caldera, incluso si la diferencia entre la densidad de vapor y agua es pequeño, como es el caso bajo alta presión y como se explicará con más detalle más adelante.

Figura 1.3. Sistemas por circulación asistida.
Generadores con circulación forzada: el agua bombeada se calienta. A continuación, se evapora hasta que el vapor es sobrecalentado a través de un solo circuito. Por lo tanto, se trata de una llamada a través de generadores. A diferencia de los generadores con la circulación natural y asistida, la caldera se compone de un circuito abierto precedido por el economizador y seguido por el recalentador (ver figura 1.4). El tambor está ausente. Con la circulación natural y asistida, una gran cantidad de agua circula, que es sólo parcialmente transformado en vapor, como se explicará más adelante. En cambio, en el generador de circulación forzada, la bomba de alimentación coincide con la bomba de circulación y se introduce el agua necesaria para la salida solicitada, y el agua se transforma en vapor sobrecalentado, de acuerdo con las especificaciones a través del economizador, la caldera y el sobrecalentador.

9

Figura 1.4. Sistemas por circulación forzada.

1.2.4 Basada según el contenido de agua Basándose en la relación entre el contenido de agua y la superficie caliente, generadores se pueden clasificar en generadores de contenido de alta, media y baja del agua.
Alto contenido de agua generadores: tienen entre 50 y 100 kg de agua por m2 de superficie caliente. Permiten a partir relativamente rápido y no son excesivamente sensibles a las irregularidades de la llama. Teniendo en cuenta la masa de agua, de manera que funcionan como acumuladores de vapor. Las calderas de tubo de humo-pertenecen a esta categoría.
Generadores de vapor de contenido medio: tienen una capacidad entre 20 y 50 kg de agua por m2 de superficie caliente. Son más flexibles, pero también más sensible a las irregularidades de las llamas. Las variaciones en el vapor pidió rápidamente deben ir acompañadas de variaciones en el combustible quemado, dada la acumulación de calor moderado en el agua.
generadores de bajo de agua contenido: tienen características similares, rápido tiempo de arranque y requisitos específicos en términos de ajuste y tratamiento de las aguas. Las unidades más grandes de convección y la radiación de las unidades grandes pertenecen a esta categoría.

1.2.5 Clasificación según la presión del horno Los generadores pueden ser clasificados como generadores de un horno de la depresión y como generadores de presión. Inicialmente, todos los generadores había un horno de la depresión y trabajado a través de tiro natural. Debido a la chimenea, una depresión formada en su base. Esto provocaría la aspiración de los gases de combustión del horno a través de los bancos de tubos.

1.2.6 Flujos a través de los tubos de la caldera.
Pirotubulares En este tipo de calderas los gases de combustión circulan por el interior de los tubos y manejan presiones de operación de 0-300 PSIG. Ventajas:

10       

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


Acuotubulares En este tipo de calderas el agua circula por el interior de los tubos y manejan presiones de operación de 0-2200 PSIG . Ventajas: 

Pueden ser puestas en marcha rápidamente y trabajan a 300 o mas psi.

Inconvenientes:  Mayor tamaño y peso, mayor costo.  Debe ser alimentada con agua de gran pureza.

1.3 Componente de diseño de un generador de vapor Los principales componentes de un generador de vapor son los siguientes:    

         

Horno Tambor Bombas de circulación de las calderas Paso de convección o Sobrecalentadotes o Recalentadores o economizadores calentador de aire bobinas precalentadores de aire sopladores de hollín alimentadores de carbón pulverizadores carbón de tuberías quemadores ignitotes y quemadores de calentamiento conductos aislamiento y revestimiento

11

Figura 1.5. Diagrama de Flujo de un generador de vapor

1.3.1 Horno El horno funciona como un recinto para el proceso de combustión y se muestra en la figura. 1.5. Las paredes del horno están formadas por tubos llenos de agua o ‘murallas de agua’ que contienen el flujo ascendente de agua y vapor. El tamaño del horno está determinada por la capacidad de vapor requerida y las características de los combustibles. Los principales métodos de diseño utilizados para controlar el tamaño del horno son las siguientes:
Entrada de calor de combustible por zona del horno El calor del combustible por zona de los hornos se calcula como el producto del flujo de combustible con poder calorífico superior dividido por la sección o área horizontal del zona del horno. La especificación de la entrada de calor al área del plan se utiliza como un método para prevenir la formación de escoria en la zona de combustión. El valor especificado para la entrada de calor por área del plan está en función de las propiedades del combustible
Calor disponible en el horno por proyectado por área de superficie radiante efectiva o velocidad de liberación de esta en el horno.

12 El calor disponible para el horno es una modificación del calor entrado por la combustión. El calor disponible para el horno incluye el contenido de calor por combustible basado en valor calorífico superior, más el calor suministrado por el aire de combustión en comparación con una temperatura de referencia de 80 ° F (27 ° C). Esta cantidad de calor se reduce por el calor latente necesario para evaporar el agua en el combustible y agua que se forma por la combustión de hidrógeno, la pérdida de calor debido a la radiación del horno de convección y pasar a las paredes exteriores, y la pérdida de calor debido al material sin quemar combustible en las cenizas. La efectiva de la superficie proyectada radiante (EPR) es el área total proyectada de los planos que pasan por los centros de todos los hornos de pared, techo, piso y los tubos, más el área de un plano que pasa perpendicular al flujo de gas en los gases del horno alcance el recalentador de convección primera o de la superficie del recalentador. La proporción de calor disponible dividido por el EPR, o la tasa de emisión de calor del horno, es un parámetro de diseño del horno que determina la cantidad de superficie de transferencia de calor para enfriar los gases de combustión antes de su exposición a la orilla del tubo de la convección pasar.
Temperatura de los gases de salida La temperatura del gas salida del horno está determinada principalmente por la relación de calor disponible por efectivos superficie proyectada radiante.

1.3.2 Tambor o cilindro El tambor encierra la interfaz de vapor de agua en una caldera subcrítica, y proporciona un punto conveniente para la adición de productos químicos y la eliminación de sólidos disueltos en el sistema agua de alimentación a al tambor. El tambor también contiene equipos para la extracción de líquido del vapor, el vapor sale de la por la parte superior y se dirige al recalentador primario. (Ver figura 1.6)

13

Figura 1.6. Muestra un corte transversal a un tabor o cilindro, en que entra un flujo de vapor sobrecalentado en los muro de horno, estos antes de ser pasados a los recalentadores precalienta el agua almacenada en el tambor

La tabla 1.1 se muestran los parámetros típicos del diseño de un tambor, basado en un ciclo 2400 Psig (16,547 MPa) Presion de diseño Tambor de diámetro interior, en función del flujo de vapor principal flujo de vapor mayor 6000000 lb/h (2722000 kg/h) 3000000 lb/h (1361000 kg/h) 6000000 lb/h (2722000 kg/h) flujo de vapor menor que 3000000 lb/h (1361000 kg/h)

2800-2950 Psig

72 pulg. (1829 mm) 66 in. (1676 mm) 60 in. (1524 mm)

1.3.3 Bombas de circulación de la caldera Las calderas subcrítica se pueden diseñar con la circulación natural a través de loa tubos que están en la pared del horno o circulación forzada con bombas de circulación de la caldera. Los sistemas de circulación natural son deben diseñado con baja resistencia al flujo en el circuito de agua que consiste en el tambor, tubos de bajada (dowcomers), encabezados menor, tubos que rodean la caldera, encabezados superior, y la conexión la con el tabor. El diseño de circulación forzada permite el uso de tubería de menor diámetro en las paredes del horno, ya que la mayor caída de presión en el tubo más pequeño puede ser

14 compensada a través de bomba de circulación. El diámetro más pequeño también permite más delgadas paredes del tubo. (ver figura 1.6)

Figura 1.7. Muestra las bombas de circulación forzada.

Las principales consideraciones para el diseño para el sistema de bomba de circulación una caldera, es para especificar una instalación de bomba auxilares que sirvan de repuesto cuando la caldera funcione en a plena carga, en caso de que una bomba de circulación este fuera de servicio. Además, las válvulas de entrada de succión y válvulas check para la descarga de verificación deben ser especificadas para cada bomba. Las válvulas de aislamiento de la bomba permite la retirada sin la necesidad de drenar la caldera después de una parada.

1.3.4 Sobrecalentadores y recalentadores La eficiencia del ciclo de vapor se mejora con una presión y temperatura del vapor más alta es así que existan equipos de recalentamiento. Ambos sobrecalentamiento y recalentamiento del vapor tiene que ser tan alto como sea posible. A una presión del vapor de 120 bar o superior a esta, la eficiencia del ciclo de mejora de ~ 1% por cada aumento de 20 ° C en el recalentamiento. Por lo tanto, se sobrecalienta lo mas alto posible según sea la el requerimiento de la turbina en el ciclo. 1.3.4.1

Sobrecalentador

En una caldera subcrítica, el sobrecalentador es entre el vapor sale hacia la turbina y el vapor que sale del tambor y se compone de

15
Tubos de vapor saturado que el transporte desde el tambor al entrada sobrecalentador (cuando los tubos de Sobrecalentador no están conectados directamente a la tambor)
Banco de tubos del Recalentador tiene sus respectivas entrada y salida de tubos.
todos los fittings y terminación por cual pasa el vapor deben tener de válvula de control de flujo. El flujos vapor que viene desde del tambor hacia el colector principal de vapor, y no debe haber ninguna válvula entre los dos para asegurarse de flujo en tubos de Sobrecalentador en todas las condiciones para evitar el sobrecalentamiento y el fracaso. La transferencia de calor que se lleva acabo puede ser por la superficie radiante del horno o por la superficie de convección en el paso de convección. Las caídas máximas de presión en un sobrecalentado de vapor son las siguientes.

Tabla.1.2 caídas de presión en un sobrecalentador Flujo de vapor Menos de 2000000 lb/hr < (907000 kg/h) Mayor que 2000000lb/hr > (907000 kg/h)

Máximas caída de presión, psi 150

MPa

170

1.17

1.03

Respecto al diseño de sobrecalentado .los tubos que componen el sobrecalentador se fabrican aleaciones de aceros, debido a sus características al ser un material resistente a la oxidación y corrosión. Ahora a la elección del espaciado de los tubos para el sobrecalentador es una función de la temperatura de los gases de combustión. La especificación del espaciado son importantes para la transferencia de calor por convección entre los tubos (vapor de agua) y los gases de combustión. (Ver tabla 1.3) Tabla1.3. Espaciamiento de los tubos de centro a centro en función de los Temperatura de los gases de combustión Temperatura de los gases, ºC 1343-1194 1193-1038 1037-954 953-788 787-427

Espaciamiento, pulg 54 24 12 8 4,5

16

1.3.4.2 Recalentador Recalentamiento de vapor consiste en la retirada de parte de vapor expandido (en el extremo del cilindro de alta presión de la turbina), volviendo de nuevo a la caldera en tubos recalentado frío, la calefacción a la temperatura igual o superior ya que el vapor sobrecalentado, y volviendo a la turbina en las tuberías de recalentamiento caliente. En términos el sistema.
Los tubería recalentamiento frio desde la turbina a la caldera
Válvulas de seguridad en el tubo recalentado frío
Emergencia por pulverización del sistema de agua atemperador en un tubo recalentado frío o interconexión de la tubería
Recalentador banco completo con de entrada y salida al calentador.
Tubería de recalentamiento caliente a la caldera En el recalentador la transferencia de calor puede ser por la superficie radiante o de convección. Una recalentador de superficie radiante el calor radiado por la transferencia de calor puede venir superficie de transferencia de pared o de techo. Un recalentador pared radiante se puede montar en la parte delantera y / o paredes laterales del horno superior. El recalentador de vapor los máximo rangos de caída de presión de 20 psi (0,14 MPa) a 25 psi (0,17 MPa). Caídas de presión superior en el recalentador son indeseables debido hay una pérdida en el de la rendimiento de la turbina como resultado del ciclo. Caída de presión baja en un recalentador son insuficientes para garantizar la distribución del flujo del vapor para enfriar adecuadamente todos los circuitos de vapor recalentador, en particular a las cargas de media y baja. Se diseño de un recalentador es similar al de un sobrecalentador y ya vimos que especificaciones tiene el diseño.

1.3.5 Economizador En economizador la transferencia de calor ocurre por gases de combustión que se va enfriado en su camino hacia la chimenea, se compone la superficie de transferencia por convección a baja temperatura. Los tubos del economizador se podría especificar como tubos desnudo, por que los tubos de aletas conectan con la cenizas cuando el quemado del carbón. Del mismo modo, los tubos deben estar dispuestos en línea en lugar de escalonada para permitir el paso de grandes trozos de ceniza a través del banco de tubos. La separación mínima entre los tubos del economizador oscila entre 2,5 a 4 pulgadas (63,5 a 102 mm). Se diseño de un economizador es similar al de un sobrecalentador. (Ver figura 1.8)

17

Figura 1.8. a) economizador b) plano esquemático de un economizador

1.3.6 Calentador de aire Al igual que el economizador, el calentador de aire se instala en reducir la temperatura de los gases de combustión de entrar por la chimenea y mejorar la eficiencia del generador. Tenga en cuenta que una reducción del 20º C, esta aumento en la eficiencia del 1% del generador de vapor. Entonces el calentador de aire hace que se enfría el gas de combustión mientras que también calienta el aire de combustión, de esta manera aumentar el calor en el horno, ya que no hay perdidas de calor por calentamiento de ese aire dentro del horno. Esto influye mucho en el tamaño del horno, la cantidad de calor irradiado por el fuego, así como la temperatura de salida de los gases de combustión del horno. La posibilidad de construir generadores de radiación completamente desprovisto de un banco de tubos de vapor, generando también depende de la calefacción del aire de combustión (ver figura 1.9). Además de eso, el aire caliente que permite una combustión y conduce a altas cargas específicas en el horno

A grandes rasgos, en unidades grandes, los gases de combustión entra en el calentador de aire a una temperatura de alrededor de 350 a 400 ◦ C y sale a una temperatura de alrededor de 150 a 170 ◦ C. El aire entra a temperatura ambiente o a una temperatura más alta cuando es calentado por vapor y sale a una temperatura de alrededor de 230 a 300 ◦ C.

18

Figura 1.9, tubos de bancos presentes en un recalentador Otro tipo de calentador de aire para instalación típico consiste de un calentador de aire rotativo regenerativo fabricado por Asea Brown Boveri (ABB) precalentador de aire, Inc., o un diseño Rothemuhle2 fabricados por Babcock & Wilcox. El diseños Rothemuhle se muestran en las figuras. 1.10. Tubular, los tubos de calor y calentadores de placas y marcos de aire se han utilizado en (100 - MW Gama) calderas pequeña. Sin embargo, el rotativo de diseño calentador de aire regenerativo utilizando rotación superficie de transferencia de calor o girar las campanas de distribución de aire predomina para aplicaciones de servicios de calefacción de aire. El arreglo del calentador de aire puede consistir en una, dos, tres, o cuatro calentadores de aire, dependiendo del tamaño de la unidad y el grado de flexibilidad de combustible deseado. Hay dos tipos de calentadores de aire regenerativos se utilizan: bisectriz (una corriente de aire por el calentador de aire) y trisectriz (dos corrientes de aire por el calentador de aire).

19

Figuras. 1.10. Perfil isométrico del calentador de aire de Rothemuhle

1.3.7 Bobinas de precalentador de aire Las bobinas de precalentamiento del aire se instalan antes del calentador de aire. Aunque su uso aumenta la eficiencia de la caldera, su propósito principal es evitar la corrosión del calentador de aire regenerativo mediante el aumento de temperaturas de la superficie de transferencia de calor. El aumento de temperaturas de la superficie de transferencia de calor produce que ocurra una disminución de la condensación de los ácidos de la corriente de gases de combustión 1.3.8 Sopladores de hollín Los sopladores de hollín se utilizan para el retiro de las cenizas de la chimenea y las superficies de transferencia de calor. Existen varios tipos de sopladores de hollín se utilizan en generadores. Como por ejemplo:
ventiladores de pared se utilizan para las paredes del horno. Estos tienen una lanza muy corta con una boquilla en la punta. La lanza rota a medida que avanza en el horno, la boquilla va soplando el hollín a través del área circular de la pared del horno.
lanzas retráctiles de agua se utilizan en aplicaciones difíciles para la eliminación de la escoria pesada. Lanzas de agua se encuentran normalmente en el nudillo del horno o en la garganta del horno, donde las escorias pesadas pueden acumularse.
sopladores de hollín retráctil (figura 1.11.a) se utilizan para la limpieza del superficie del superior de horno y los bancos de tubos de convección. Retractables pueden ser completamente retráctil o plegable

20 parcialmente, dependiendo de la temperatura de la zona. sopladores de hollín retractables tienen una boquilla en el extremo de una lanza que gira y lanza a lo largo de la superficie del tubo, un flujo de gases perpendicular.(figura 1.11.b ).

(a) (b) Figura. 1.11. a) un soplador de hollín retractiles. b) representación del trabajo del soplador de hollín retractilas en cual lanza un gas a que barre con la cenizas de los tubos.
sopladores de hollín completamente retráctil son necesarios en zonas de alta temperaturas de gases de combustion, donde los materiales del soplador de hollín no podía soportar la temperatura de los gases de combustión sin sistema de refrigeración que fluya a través del soplador de hollín.
sopladores de hollín de Rotatorio se utilizan para pasar a la superficie por convección de baja temperatura. sopladores de hollín de Rotatorio tienen boquillas múltiples a lo largo del eje del ventilador, se fijan axialmente, y gire para distribuir el soplado del hollín medio sobre los tubos adyacentes.
sopladores de hollín de aire calenter se encuentran típicamente en el lado del gas de combustión del calentador de aire en la entrada y la salida. La selección de la bomba de aire de hollín calentador depende del tamaño del calentador de aire. Por eso en la figura 1.12 se muestra un generador de vapor con la ubicaciones típicas de los sopladores.

21

Figura 1.12. Locaciones típicas de un generador de vapor. Simbologia cuadrados=sopladores de pared. Triangulo=Retractables uso de altas. Circulo=Retratiles

1.3.9 Alimentadores de carbón Alimentadores de carbón se encuentran entre cada silo de carbón y de su pulverizador respectivamente. La principa funcion de un alimentador de carbón es controlar el flujo de carbón para el pulverizador, que es equivalente al la demanda flujo de combustible por consumo de vapor. El diseño de alimentación de uso general para las plantas de energía a gran escala es el tipo de banda horizontal de la figura 1.13. Los flujos de carbón en la cinta transportadora de un tubo de alimentación vertical y se descarga de la final de la cinta en el tubo pulverizador de alimentación vertical. La velocidad de la cinta es muy variada para controlar el flujo de carbón. El tubo de alimentación es normalmente construido de acero inoxidable para mejorar el flujo de carbón. Dos variaciones del alimentador de correa son el alimentador volumétrico y el alimentador gravimétrico.
Correa dosificadores volumétricos suelen utilizar una barra de nivelación posición fija en combinación con un cinturón de velocidad variable para controlar el flujo de carbón.

22
El dosificador gravimétrico está equipada con una báscula que pesa el carbón a medida que pasa a través del alimentador. Los asociados de conexiones medidas de control del sistema y registros tanto la tasa de carbón de la alimentación instantánea y el peso acumulado de alimentación de carbón. Pero generalmente el mejor es de dosificador gravimétrico, ya que, tiene la capacidad para detectar y responder a los cambios en la densidad del carbón. A medida que el contenido de calor del carbón es generalmente más dependiente del peso del carbón que es alimentado que en el volumen. El dosificador gravimétrico debe rendir un mejor control del flujo de energía en el horno. Además, el dosificador gravimétrico ofrece un método de medición del consumo de carbón si alimentador mantenimiento y calibración de la escala se llevan a cabo regularmente. Además el sistema de alimentación se debe presuriza con aire de sello para proporcionar un sello contra el flujo de aire caliente del pulverizador en el silo en los sistemas de pulverizador a presión. (Tenga en cuenta que en pulverizadores equipados con ventiladores de aspiración, el pulverizador funciona a presión negativa y el flujo de aire del silo, a través del alimentador, y en el pulverizador.)

Figura 1.12. Alimentador de carbón del tipo gravimetrito

23

1.3.10

Pulverizadores

Los pulverizadores tiene la función de convertir el carbón en pequeñas partículas de polvo, que después será introducido al horno para ser quemado. Este pulverización trae beneficios en la combustión, a través de la elección de buenas mezcla combustible (mezclado de aire y carbón pulverizado). Los tipos más comunes pulverizadores que se han utilizado en calderas a carbón: el molino de bolas molino de bolas, molino de eje vertical, y el desgaste.
El molino de bolas del tubo de baja velocidad (figura 1.14) se caracteriza por los costos de mantenimiento muy bajo, pero alto consumo de energía. La parte de mantenimiento uso consiste en sustituir el desgaste de los líneas de bolas con la frecuencia de 10 a 15 años y la reposición de la bola de carga varias veces al año.

Figura 1.13. Pulverizador molino de bolas de baja velocidad


El molino vertical del eje de velocidad media puede ser un tazón de fuente y de rodillos o molino de bolas y de la carrera. El tipo de recipiente y de rodillos (figura.1.14.a 1.14.b). El pulverizador de cuenco y rodillos se caracteriza por medio y alto mantenimiento y bajo consumo de energía. Revisiones pulverizador para el reemplazo o la renovación de las superficies de desgaste de los rodillos se requieren un frecuencia de 2 a 5 años, dependiendo de las características de abrasión del carbón a la pulverizadores de bola y de la carrera (figura 1.14. c) normalmente se han utilizado en unidades de tamaños pequeños, aunque algunas instalaciones grandes tienen molinos de bolas y de la carrera. Estos son los que se utiliza principalmente en instalaciones de

24 potencia y se espera que se utilizan en prácticamente todos los demas generadores de vapor

Figura 1.14.a. Molino de eje vertical

Figura 1.14.b. Molino de eje vertical

25

Figura1.14.c. corte transversal al un pulverizadores de bola
El molino de desgaste de alta velocidad (figura 1.15) normalmente se ha utilizado en pequeñas instalaciones. Se caracteriza por el alto consumo de energía y mantenimiento de, y revisiones del molino se requieren aproximadamente cada año.

Figura 1.15. Pulverizador de molino de alta velocidad.

26

1.3.11

Tuberías de carbón pulverizado y quemadores

Tubería de carbón pulverizado transmite la mezcla de aire de carbón pulverizado a la a los quemadores primario. La tubería de carbón pulverizado es normalmente de acero con espesor de pared 0,5 pulgadas (12,7 mm). revestimientos cerámicos se recomiendan en las curvas tubo de carbón si el carbón pulverizado es particularmente abrasivo. Un arreglo de base de línea de cerámica incluye el área de salida del molino, las dos primeras curvas de la tubería el pulverizador, y tramos rectos de 5 pies más allá de estas curvas. Para los problemas de erosión severa, todos los codos de carbón pueden requerir revestimiento de cerámica. La disposición de los tubos del quemador (ver figura1.16) y accesorios están determinados por la disposición del quemador en el horno y el tipo de pulverizador. Dos tipos de acuerdos del quemador se utilizan en las calderas de gran utilidad: la pared despedido y la esquina o tangencial (ver figura 1.17). Los hornos de pared puede ser despedido de la pared frontal, trasera dispararon en la pared, o los quemadores pueden ser delantero y trasero en la pared opuesta. La disposición típica de la pared del quemador-disparó está configurado de tal manera que un pulverizador alimenta a todos los quemadores de una sola planta en una pared. Pulverizadores a presión tienen puntos de venta en igual número a los quemadores alimentados por el pulverizador. El Ventilador de pulverizadores debe tener un flujo de salida único del ventilador extractor. La descarga del ventilador extractor está dividida con tubo separadores de carbón para obtener un tubo de carbón individual para cada quemador servido por el pulverizador. Ventilador de pulverizadores se suelen utilizar en combinación con hornos tangencial. El molino extractor y la combinación de horno de pared despedido es inusual, pero existe en algunas calderas mayores. Para sistemas de calefacción tangencial, diseños móden están dispuestos a disparar a partir de cuatro esquinas del horno. Diseños los antiguos hornos tangenciales se pueden arreglar con un horno dividido con dos bolas de fuego, uno en cada lado del horno. El diseño del horno dividido se ha construido con y sin un muro de la división central. El horno cuenta con ocho quemadores dividido por la elevación del quemador. Un pulverizador alimenta los ocho quemadores en una elevación de un horno dividida o los cuatro quemadores por la elevación de una "Bola de fuego solo" horno tangencial.

27

Figura 1.16. Quemador vertical con ingresos de aire secundario.

Figura. 1.17. Posiciones de los distintos quemadores

28

1.3.12

Encendedores y quemadores de calentamiento

Ignitores y quemadores de calentamiento son necesarios para la iniciación de la llama y la estabilización de carga baja. El tipo de equipo proporcionado e incluso la terminología varía dependiendo del fabricante de la caldera. Todos los fabricantes utilizan el encendedor plazo, salvo para Babcock & Wilcox, que utiliza el término "ligero". Quemadores de calentamiento o armas de calentamiento sólo se utilizan por parte de ABB Servicios de Ingeniería de combustión en el diseño de horno tangencial. La pistola de calentamiento es un gas de entrada a alta temperatura o aceite para quemar que realiza las funciones de un encendedor. A modo de ejemplo, la entrada de calor de un nivel de cuatro cañones de calentamiento general igual o superior a la capacidad de calefacción de todos los quemadores en todas las elevaciones, frontal y trasera tanto, de una caldera de tamaño comparable en la pared despedido. En el siguiente ejemplo para una 5200000 lb / h (2.360.000 kg / h) 750 MW de la caldera ilustra el quemador, encendedor, y las variaciones de calentamiento arma que se pueden encontrar: Tabla 1.4 diseño de quemador para una carga de 5200000 lb/hr

Numero de quemadores de carbón Velocidad de quemado (Mbtu/hr) y(MJ/hr) Numero de ignitores

Diseño de manufactura A B 56 32 120 (Mbtu/hr) 126000 (MJ/hr) 56

C 28

210 (Mbtu/hr) 221000 (MJ/hr)

240 (Mbtu/hr) 253000(MJ/hr)

28

28

El propio encendedor requiere una fuente de ignición. Para grandes unidades de carbón pulverizado, la fuente de ignición inicial es una chispa eléctrica de alta energía que se inicia la llama del encendedor. Quemadores de combustibles fósiles son generalmente alimentados con gas natural o de cualquier grado del aceite combustible. El propano puede ser utilizado, pero por lo general no es el combustible más económico para el encendedor una utilidad. Con energía eléctrica "antorcha de plasma" arrancadores, que utilizan gas natural, ni tampoco el aceite combustible, también disponible en el mercado. La antorcha de plasma se encuentra en el eje del quemador de carbón y sustituye el encendedor convencional de gas-oil. Prácticamente no hay otros cambios en el quemador / sistema pulverizador se requiere en comparación con un encendedor convencional / quemador / sistema pulverizador. Sin embargo, el sistema de antorcha de plasma requiere más interruptores de la subestación unidad secundaria, director de orquesta, y la alcantarilla. Alimentación auxiliar tamaño del transformador no se ve afectada ya que el sistema de antorcha de plasma funciona cuando otras cargas auxiliares son bajas.

29

1.3.13

Conductos, tolvas de Ceniza, y amortiguadores

El generador de vapor incluye tanto los conductos de aire y gases de combustión. Los sistemas de conductos siguientes normalmente se incluyen en las especificaciones de diseño de generador de vapor:










Salida de aire del calentador de aire secundario a la caja de viento Primaria descargas de aire del ventilador del calentador de aire Salida de aire del calentador de aire primario de pulverizadores Templado aire para pulverizadores Selle los conductos de aire Detector de llama conductos de refrigeración de aire Arrancador conductos de aire Generador de vapor del tubo de salida del gas de aire caliente calentador de aire de salida del gas a un punto final especificado.

Para los generadores de vapor de la especificaciones del diseño de la red de conductos se especifica que la placa de acero, 1/4 pulgadas (6 mm) de espesor. Criterios conductos desviación son los siguientes:
conducto diseñado para limitar la deflexión a 1 / 100 del tramo de la placa entre los refuerzos o el espesor de la chapa, lo que sea menor, en condiciones normales de funcionamiento.
Conductos refuerzos para limitar la deflexión a 1 / 240 de la duración de refuerzo para las condiciones normales de funcionamiento. Conductos de aire y velocidades de los gases a plena carga se especifican a continuación
conductos de aire, la velocidad máxima 3,5 pie/min (17,8 m/s)
Los conductos de gases de combustión, la velocidad mínima 3,5 pie/min (17,8 m/s) Tolvas de ceniza podría ser provista en el calentador de aire regenerativo. A menudo, estas tolvas están diseñadas para la recogida de agua de lavado. Un diseño de la tolva poco profundas puede ser utilizadas para recoger el agua, sino que se "auto-radial" con respecto a las cenizas volantes. Los amortiguadores siguientes son típicamente adquiridos en generador de vapor para:
Ventilador de entrada de aire Primario paletas
El ventilador de aire primario de aislamiento de descarga
calentador de aire primario de gas de salida (cuando el aire primario por separado calentadores se proporcionan)
Flujo de aire de pulverizador, control de temperatura, y el aislamiento
Sellado, refrigeración, presurización, y el control de aire y encendido aislamiento

30
Registros de aire en el quemador

1.3.14

Aislamiento y revestimiento

Aislamiento reduce tanto la pérdida de calor de la caldera y proteger las operaciones y personal de mantenimiento del contacto con superficies de alta temperatura. Retraso o revestimiento protege el aislamiento de los daños físicos. El aislamiento es generalmente especificado para limitar la temperatura de la superficie fría a 120 ° F (49 ° C) como máximo sobr e la base de una temperatura ambiente de 80 ° F (27 ° C) con una vel ocidad de aire de 60 pies (18,3 m) por minuto. Este requisito es típicamente se reunió con 4 a 6 pulgadas (102 a 152 mm) de aislamiento en superficies planas de la caldera. Superficies del generador de vapor, aire caliente, y los conductos de gas están aislados con aislamiento de fibra mineral de bloque. silicato de calcio rígido moldeado aislamiento puede ser utilizado en el techo del ático y en la superficie superior de los conductos

1.4 Aplicaciones de los Generadores de Vapor Caldera que tiene más aplicaciones industriales son la de tipo acuotubular. Esta se fabrican bajo las siguientes condiciones:
La capacidad van aprox. desde 5 ton / h a 4500 ton / h
La presiones de vapor que van desde aprox. 3.5 a 320 bar
A temperaturas que van desde la saturación del vapor a 620 ° C Los generadores que están bajo de las 400 ton/ h (aprox.) se emplean el vapor en sus procesos, estas se llaman comúnmente calderas industriales (ver figura 1.18) Los que están sobre 400 ton / h, donde el recalentamiento del vapor se hace viable, las calderas se utilizan principalmente para utilidad de planta generadores de poder (Ver figura 1.19). Esta línea divisoria es muy delgada y provisional, y las excepciones se encuentran en ambos lados de esta demarcación arbitraria. Con la cogeneración en aumento y las plantas de gran tamaño han ganando popularidad, lo que una caldera de utilidad en el pasado se ha convertido en una unidad industrial hoy y esta progresión es sólo va a continuar.

31

Tabla 1.5 calderas industriales v/s calderas de generación de vapor Parámetro

Calderas industriales

Propósito

Proceso que requieren vapor, eléctricas para uso interno, cogeneración, calefacción Principio del formulario Por lo general < 400 ton/ h, sin recalentamiento, < 150 bar y < 565 º C

Condiciones del vapor

Combustible

Todos tipos de combustibles, además de desecho, biocombustible, etc.

Flexibilidad de utilización Todas de varios combustibles Quemadores Todos los tipos de quemadores, fogonero, pila de quemar, Lecho fluidizado burbujeante caldera de combustión, combustión de lecho fluido circulante, calderas pulverizadores de combustible Tipos de doble tambor o de tambor simple, construidas sobre un terreno firme y apoyadas tanto superiormente como inferiormente Circulación Mayoritariamente natural y en algunos casos forzada dinámica Para adaptarse a proceso o cogeneración de energía

Calderas de generación eléctrica Producción de energía eléctrica

Por lo general hasta 4500 ton / h con recalentamiento, hasta 320 bar y 620 º C Priman los combustibles, en ocaciones gas de desecho, y coque de petróleo Solo algunos casos Pulverizadores de combustibles, los ciclones y las calderas de combustión de lecho fluido circulante

Con un tambor simple. apoyadas sólo en el terreno construido calderas

De los tres tipos natural, forzada y inducida. Para adaptarse a la generación de energía eléctrica

32

Figura 1.18 caldera de uso industrial utilizada en la cogeneración de energía electrica

Figura 1.19 .generador de vapor utilizada para la generación de un potencia de 800 MW.

33

1.5 Controles para manejo y seguridad 1.5.1 Controles de manejo y seguridad de agua (caldera pirotubulares) a. Control de nivel por flotador. Sistema que habilita el colector de la bomba por intermedio de un interruptor para controlar el agua en la caldera. b. Control de nivel (Auxiliar) Warrick. Se acciona cuando el control de flotador falla, protege la caldera por bajo nivel de agua apagando el quemador, posee un electrodo que al dejar de censar agua inhabilita el quemador. Es importante saber, en caso de detectar el nivel de agua por debajo de la mitad del volumen total, no suministrar agua fría a la caldera porque imploraría por choque térmico brusco 1.5.2

Controles de manejo de combustible

El sistema de manejo de combustible esta compuesto por elementos funcionales indispensables para una optima operación de transporte del combustible a la zona de quema a condiciones especiales de temperatura y presión. Estos elementos deben funcionar correctamente, pues manejan líquidos o gases inflamables, que pueden causar un accidente. Componen un sistema de manejo de combustible: a. Filtro: Protección de cuerpos extraños. b. Bomba: Mecanismo de transporte. c. Precalentador eléctrico y a gas: Elevar la temperatura del combustible. d. Válvula desaireadora: Sacar el aire en el precalentador eléctrico. e. Válvula termostática: Localizada a la entrada del calentador de vapor, si baja la temperatura del combustible se abre. f. Válvula Reductora: Reduce la presión de vapor de la línea al precalentador según lo requerido por este. g. Trampa: Desalojar los condensados a la salida del precalentador. h. Manómetro y termómetro: Se instalan después del filtro y muestran presión de atomización y temperatura. i. Válvula Modulante: Regula la presión y la cantidad de combustible al quemador principal. j. Válvulas Solenoides: Abren y cierran el flujo de combustible.

34

1.5.3 Controles de manejo y seguridad de atomizador de aire – agua EL PRESURETROL N.O”, Es el dispositivo que controla la existencia de atomización, cerrando o abriendo las válvulas solenoides del sistema de combustión

1.5.4 Controles para manejo y seguridad de aire de combustión. Control que garantiza la existencia de flujo de aire y habilita el control de combustión, para que siga la secuencia de encendido.

1.5.5 Controles de manejo y seguridad de calderas moduladas Un sistemas modulado es un sistema que permite aumentar o disminuir la generación de vapor, variando la cantidad de combustible en al quemador. Un sistema modulado varía la energía producida por la combustión según la demanda de vapor que los elementos consumidores requieran. Esta modulación debe conservar las proporciones de aire y combustible para lograr una combustión eficiente con bajos niveles de contaminación por residuos. La secuencia de modulación consiste en:
Censa presión de vapor.
Percibida por sensor (Presuretrol).
Envía señal eléctrica a Motor modulador (Modutrol).
El modulador (Modutrol) acciona el regulador de aire y la válvula reguladora de combustible mecánicamente

1.5.6 Controles para manejo y seguridad del regulador (damper) del tiro forzado El damper es manejado mecánicamente por el motor modutrol modulador, garantiza que la caldera no encienda en una posición distinta a bajo fuego, de lo contrario provocaría explosiones en el encendido por exceso de aire y combustible (encendido brusco).

1.5.7 Controles para manejo y seguridad de llama EL CONTROL DE COMBUSTIÓN Permite que se produzca y sostenga la llama. El sistema tiene una secuencia de encendido y operación automática para habilitar o deshabilitar el sistema de combustión, mediante el censo de variables como: existencia de llama, presión de atomización, demanda necesaria, etc.

1.5.8 Controles para manejo y seguridad de tanques de condensados

35 Para controlar el nivel de fluido en los tanques de condensado se usa válvulas flotador, es aconsejable utilizar controladores de nivel Warrick, electrodos y válvulas solenoides, para incrementar la seguridad.

1.5.9 Controles para manejo y seguridad en el tanque diario de combustible Se usan como recipiente de calentamiento de fuel oil No.6 para ser manejado fácilmente por la bomba y apresurar la elevación de la temperatura en el precalentador. Deben estar provistos:
Control de nivel
Resistencia eléctrica
Control de temperatura
Venteo
Bomba de trasiego
Drenaje
Termómetro
Entrada y salida de combustible

1.5.10

Control para seguridad de gases en la chimenea

Es ubicado en algunas calderas un termómetro a la salida de los gases, en cual es enclavado directamente con el quemador pera desactivarlo cuando la temperatura supera el set point indicado. Esta elevada temperatura puede originarse por falta de agua, hollinamiento e incrustaciones al lado del agua, etc.

1.5.11

Control para manejo y seguridad de vapor de la caldera

Limita la presión de trabajo, deshabilitando el control de combustión cuando censa la presión establecida.

1.5.12

Control para manejo y seguridad de ignición a gas

Lo más importante de este control es el regulador de gas pues debe ser su salida de menos de media libra, de lo contrario estaríamos mandando mucho caudal de gas y habría una posible explosión

1.5.13

Válvulas de seguridad

Se accionan a determinada presión de trabajo, desalojando cierta cantidad de vapor. Debe ser manipulada solo por personal autorizado, y contener los sellos de seguridad luego de manipulada.

1.5.14

Purgas

36 El agua y vapor presente en una caldera esta provisto de sedimentos y material particulado que deben ser evacuados para evitar mal formaciones en la estructura y evitar la falsa toma de señales de presión y temperatura de los diferentes elementos de control y seguridad. Existen purgas de:
Columna de agua. Se hace por lo menos cada turno. Si la cámara de Macdonnell se queda con lodos, el flotador se queda pegado dando una falsa señal de que la caldera tiene agua.
Purga de fondo. Para desalojar los lodos de la caldera en la parte inferior. Si hay sedimentación se generan puntos calientes que agrietan y queman las laminas de la caldera.
Purga continua: Desaloja los lodos que circulan en el agua, las espumas y las grasas. Es continua al mantener la válvula con una proporción de apertura

1.6 Fallas en calderas 1.6.1 Fallas en el arranque Características: El quemador y el ventilador no arrancan (Hay enclavamiento eléctrico en las calderas moduladas). Posibles causas: Bajo nivel de agua, falla del sistema de energía eléctrica, interruptor manual defectuoso en posición off, control de operación o controles de carácter limite defectuosos o descalibrados, voltajes demasiado altos o bajos, control principal de combustión apagado o defectuoso, fusibles defectuosos en el gabinete de la caldera, térmicos del motor del ventilador o del motor del compresor que saltan, contactos o arrancadores eléctricos defectuosos, motores del compresor y/o ventilador defectuosos, mecanismos de modulación de fuego alto y bajo no se encuentran en la posición adecuado de bajo fuego y fallo en el fluido eléctrico.

1.6.2 Fallas en el encendido Características: Ventilador y Quemador arrancan pero no hay llama principal a. No hay ignición Posible causa: Falla de chispa, hay chispa pero no hay llama piloto, válvula solenoide a gas defectuoso, interruptor bajo fuego abierto. b. Hay llama piloto, pero no hay llama principal Posibles causas: Llama piloto inadecuada, falla en el sistema de detección de llama, falla en el suministro principal de combustible, programador ineficaz. c. Hay llama de bajo fuego, pero no de alto fuego.

37 Posibles causas: Baja temperatura de combustible, presión inadecuadas de la bomba, motor modutrol deficiente, Articulación suelta o pegada d. Falla de llama principal durante el arranque Posibles causas: Ajuste defectuoso de aire combustible, control de combustión o programador defectuoso. e. Falla de llama durante la operación Posibles causas: Combustible pobre e inadecuado, fotocelda deficiente, circuito limite abierto, interruptor automático no funciona correctamente, motores ocasionan sobrecargas, control de combustión o programador defectuosos, calibración de quemador incorrecta, dispositivos de interconexión defectuosos o ineficaces, condiciones de bajo nivel de agua, falla en el suministro de energía eléctrica, proporción aire combustible f. No funciona el motor modutrol Características: No hay movimiento del modulador (modutrol) a las palancas que regulan el damper. Posibles causas: Interruptor alto y bajo fuego en posición inadecuada, sistema de palancas pegadas, motor no se mueve a lato fuego durante la prepurga porque están sucios o abiertos los contactos del control de combustión, modutrol no va a bajo fuego porque los contactos no se abren, el motor es ineficaz (conexión eléctrica suelta, transformador del motor esta defectuoso).

1.6.3 Fallas en los materiales a. Por corrosión Proceso de acción erosiva ejercida sobre la superficie interna de la caldera por la acción mecanica de materiales sólidos, abrasivos, transportados por el agua o los gases en circulación. La corrosión tambien se presenta por oxidación.

b. Por Sobrecalentamiento Cuando los materiales de fabricación de la caldera son expuestos a altas temperaturas se presentan fallas de diferentes tipos dependiendo de las causas que la generan.

c. Soldadura y construcción El conjunto de partes soldadas no debe ser poroso ni tener inclusiones no metálicas significativas, debe formar contornos superficiales que fluyan suavemente con la sección que se está uniendo y no tener esfuerzos residuales significativos por el proceso de soldadura.

38 d. Implosión y explosión Las explosiones en calderas suelen ocurrir cuando la presión a la que esta operando la caldera supera la presión para la cual fue diseñada. Generalmente esto ocurre cuando algunos de los sistemas de alarma o control estan descalibrados, dañados o no funcionan. Las implosiones en calderas ocurren generalmente cuando el flujo de agua de entrada para producir vapor no ingresa al equipo, ocasionando un sobrecalentamiento excesivo y el colapso del material.

2 Calderas Acuotubulares ,Pirotubulares y

Equipos auxiliares de un Calderas 2.1 Generadores acuotubulares 2.1.1 Generadores por convección Los generadores por convección más utilizados, son los de dos tubos generadores. Como prevención, son utilizados ciertos componentes que se conectan en la parte superior de los tubos generadores, llenos de agua en su parte inferior, y de vapor en su parte más alta. En primer lugar, hay tubos de generación de vapor construidos entre la parte exterior del horno y el soporte del generador Por otro lado, la muralla trasera es parcialmente o totalmente protegida a través de tubos insertados en ambos tambores. Finalmente, la muralla frontal que contiene los quemadores pueden ser parcial o totalmente protegidos. Los tubos radiados en el horno, constituyen lo que son las paredes laterales, la parte inferior y superior. Estos pueden ser organizados de tres formas: En el primer caso, son puestos uno al lado del otro, en el segundo caso, consiste en una pared membranosa que es en un conjunto de tubos además de aletas continuas entre tubos (barras de membrana). Finalmente, la tercera consiste en tubos soldados entre si. La muralla inferior suele ser recubierta con material refractor. Esto es, debido a la necesidad de disminuir el calor radiado a los tubos. Dado que estos últimos tienen un largo camino (pared lateral, inferior y superior).Ellos podrían de otro modo estar en una condición crítica en cuanto a su circulación en comparación con muchos otros tubos más cortos conectados a los tambores. Esta tarea es asignada a aquellos tubos localizados en la orilla, en las áreas más frias de los gases de combustión. El agua fluye a través de ellos de la parte superior a la parte baja del tambor, produciendo pequeñas cantidades de vapor, debido a la baja temperatura del gas. Hay también generadores de este tipo equipados con bajantes externos al pasaje de gases de combustión y que alimentan el tambor inferior en forma directa.

39 En el interior, el gas corre un pasaje, o frecuentemente incluso hasta dos veces a través de una separación de placa deflectora a través de dicho pasaje. La placa deflectora es generalmente hecha de acero refractor o usando los mismos tubos equipados con aletas o soldadas entre si. El gas de combustión, corre paralelamente al eje del tambor. La hilera de tubos junto la pared opuesto al horno puede ser apartado, lado a lado, conectada a través de tubos membranosos, o soldadas entre ellos. Los quemadores son puestos en la pared frontal del generador con el eje paralelo al eje del tambor. Frecuentemente, hay solo un quemador. A lo más puede haber cuatro quemadores.

Figura 2.1 El generador puede ser equipado con un sobrecalentador, instalado a la salida del horno en el área de la orilla y partes sustitutas de los tubos generadores de vapor. A la salida del generador, aquí puede haber un economizador o un calentador de aire. Estas pequeñas unidades pertenecen al tipo en bloque y son transportables, excepto el economizador y el calentador de aire que son una unidad entre ellos mismos. Ellos son construidos de forma entera en un taller. El ventilador y a menudo, la bomba alimentadora de agua, el combustible calentador, y la mesa de control son montadas en la misma base estructural del generador. Ellos no requieren soporte estructural. En efecto, el tambor inferior es ubicado en la parte inferior y opera como una viga en la orilla y el tambor superior. La muralla de tubos del horno es apoyado con rodamientos adecuados. Obviamente, se requiere especial cuidado para permitir la libre expansión del tambor inferior y los tubos. Finalmente la cubierta de las murallas en el lado, la muralla frontal (con los quemadores), y la muralla inferior liberan sus pesos en el la base estructural.

40 La solución generalmente adoptada en unidades de alta potencia (no transportable), se muestra en la figura 2.2. En este caso todas las murallas son protegidas, y sus tubos son enganchados a la cabecera que, a su vez, son conectados a ambos tambores. Los quemadores son ubicados con el eje perpendicular al eje del tambor y el camino del gas se produce transversalmente a los tambores. Si un sobrecalentador es provisto, y si esta localizado en la parte superior del horno, y a veces separado por unas cuantas filas de tubos generadores de vapor. El generador puede ser soportado por una estructura por debajo o suspendido a través de collares apropiados y tirantes conectados a un marco soportador. De esta manera la expansión es libre en cualquier dirección.

Figura 2.2 Generador de alto poder de dos tambores

41 La salida de estos generadores varía de 5 Ton/h de vapor, a 50 Ton/h y más para modelos transportables. Estos pueden sobrepasar las 300 Ton/h para estos modelos. La presión es generalmente modesta en unidades de bajo poder pero pueden sobrepasar los 120 bar en unidades larga.

Figura 2.3

2.1.2 Generadores por radiación Generadores por radiación incluye grandes unidades utilizadas en las plantas de poder termoeléctricas que son caracterizadas por la presencia de un enorme horno. El calor requerido al vapor a la salida es completamente o casi todo, transferido dentro del horno. Por lo tanto, los tubos generadores de vapor, están ausentes o reducidos a un tamaño pequeño en comparación con el generador.

42 El sobrecalentador, el recalentador potencial, y el economizador con tubos suaves que conforman un bloque junto con la caldera son instalados en el exterior del horno. A la salida del economizador, el gas de combustión que están muy calientes (350-400ºC), pasa a través del aire calentador. Luego este pasa por el hollín, y después es aspirado por la succión del ventilador si el generador tiene un horno en la depresión. De otro modo, este entra en contacto directo dentro de la chimenea si este es presurizado. Estos generadores son, a menudo, equipados con una recirculación ventiladora de los gases de chimenea que recoge algunos de estos a la salida del economizador para introducirlo en la parte inferior del horno. También puede ser incluido un ducto de By- pass de aire frio a través del calentador de aire. Finalmente, algunos generadores son equipados con un ducto de recirculación por aire caliente que es recogido de forma parcial a la salida del calentador de aire y dirigida hacia la succión del impulsor del ventilador. Tanto la recirculación de los gases de combustión como los ductos secundarios que ya se mencionaron anteriormente, modifican los intercambios de calor en el generador. El ventilador de recirculación requiere que la cantidad de combustible varíe con el fin de alcanzar los niveles de temperatura deseados para el vapor sobrecalentado. Los conductos mencionados anteriormente están destinados a prevenir o al menos mantener los fenómenos de corrisión a baja temperatura, que ocurren en el calentador de aire bajo control. Para aumentar la temperatura del aire en la succión del ventilador de empuje, en vista del fenómeno de corrosión. Se instalan unidades calentadoras para ser usados en la etapa más fría. Finalmente, la succión de aire se puede hacer a través de un conducto que recoge en el interior de la fábrica o por la parte superior del generador, donde este está generalmente más cálido. De esta manera, los gases de combustión intercambian calor con el aire que esta menos frio. En generadores con circulación natural o asistida, el tambor ubicado en la parte más alta del generador alimenta la entrada a la cabecera de los tubos de la pared de tubos en el horno a través de grandes cañerías de baja aisladas en su exterior. Si son de circulación asistida, bombas de circulación son insertadas a lo largo de las cañerías. La mezcla de vapor de agua produce que los tubos generadores de vapor se muevan en la salida superior, y vuelve al tambor por los tubos de retorno. El tambor tiene pequeñas dimensiones comparado con el tamaño del generador (al comparar con el caso de generadores por convección), aunque su diámetro puede llegar hasta 2 metros y su longitud alcanzar hasta unos 15 metros

43

Figura 2.4 generador por radiación con circulación normal

44

Figura 2.5 Generador por radiación con circulación asistida Las diferentes etapas de sobrecalentamiento, el recalentador y el economizador son también conectadas a la entrada y a la salida. El de la entrada del economizador es alimentado por el agua proveniente de la bomba, en tanto que en la salida es conectada con el tambor. A la entrada de la primera etapa del sobrecalentador, se obtiene el vapor saturado del tambor, mientras que el vapor sobrecalentado alcanza la turbina de la que pasa a la última etapa a través de las tuberías. Atemperadores son introducidos entre las etapas de sobrecalentamiento. El recalentador obtiene el vapor de la turbina a través de una conexión y la entrada superior y envía a este de vuelta a la turbina a través de una conexión adicional. Además de que la muralla del horno y la de tope, las murallas laterales contienen un sobrecalentador secundario y el recalentador, asi como las paredes del túnel donde el sobrecalentador primario y el economizador son instalados, son seleccionados.

45

2.1.3 Generadores de vapor por residuos Los generadores de vapor por residuos son caracterizados por la ausencia de horno, y por ésta razón, ellos se consideran pertenecientes a la clasificación por convección. La caldera consiste en tubos generadores de vapor en las orillas. Esta puede ser precedida de un sobrecalentador y seguida de un economizador. De esta manera se construye un generador de calor por residuos. Del punto de vista de su construcción, la caldera generalmente consiste en tubos de orilla conectados a un tambor superior y uno inferior. En otras palabras. En otras palabras, este consiste en la parte convectiva de una caldera con dos tambores. El paso de gases perpendicular al eje al eje de los tambores y en solo un pasaje. Los tubos son generalmente con aletas. Esta proviene una buena superficie para el intercambio de calor dentro de cierto espacio. Por supuesto, otras soluciones son posibles. Por ejemplo, es posible tener un solo tambor superior conectado a varios tubos rastrillos unidos al tambor por la alimentación de agua y la recirculación de la mezcla agua- vapor. La mayoría de todos los rastrillos componen el generador banco de vapor. La caldera es instalada dentro de un ducto donde el gas caliente atraviesa por fuera, como se verá más adelante. El sobrecalentador y el economizador son instalados en el mismo ducto. El primero consiste generalmente en colgar las bobinas con el apoyo de cabeceras de entrada y salida. Otras soluciones son posibles. Esta última consiste en tubos con aletas. Generalmente, estos son tubos con aletas que están hechos de hierro fundido o de tubos de acero con manguitos con aletas de hierro fundido. Hay también de tubos de acero con aletas helicoidales cuando los gases de combustión no representan un peligro en términos de corrosión. El generador de calor por residuo es, evidentemente, una estructura bastante simple y no implica tener problemas en el funcionamiento o la aplicación. Este puede aprovechar el calor sensible de los gases de combustión procedente de otro dispositivo donde se lleva a cabo la combustión. Por ejemplo, esta es instalada a la salida de un horno de vidrio, un horno de reverbero, y un motor diesel. Hay también numerosas aplicaciones en la industria química recuperando calores sensibles de los diferentes gases de procesos. Finalmente, una vez más una aplicación generalizada consiste en la producción de energía mixta a través de turbinas de gas y turbinas de vapor (ciclo combinado). En ese caso, parte de la energía es producida por la turbina de gas. Estos gases de escape al pasar por el generador de calor residual produce el vapor que alimenta un ciclo cerrado de turbina. La figura 2.6, muestra una planta compleja que trata de diferentes secciones que pueden producir vapor alimentando una turbina o para uso tecnológico (bajo distintos niveles de presión). La primera banca de bobinas es un sobrecalentador, seguido por dos generadores de vapor de banca, un economizador, un tercer generador de vapor de banca, y finalmente, otro economizador. La planta produce vapor sobrecalentado a 42 bar y 385 ºC alimentando a la turbina y vapor saturado a 11.5 bar, así como 2.25 bar para uso tecnológico en una fábrica. El economizador esta hecho de acero con

46 aletas espirales conectadas con una soldadura resistente. Ocurre combustión con gas natural. Como se puede apreciar, los generadores de vapor de bancas consisten en 2 elementos, que son tubos. Notar que esta no es la única solución. En efecto, los bancos de tubos, también son construidos con rastrillos y conectados en el tope al único tubo (ver figura 2.7)

Figura 2.6 Generador de calor por residuo

47

2.1.4 Generador de calor por residuo En conclusión, los generadores acuotubulares o los generadores por residuos pueden ser usados para producir electricidad o producir vapor para fines tecnológicos tanto directamente y como liberándolo a una turbina de contrapresión. La temperatura a la cual el gas entra al generador, varía entre un caso y otro, depende de su procedencia. Esta puede ser relativamente pequeña (450-600 ºC) o considerablemente alta (sobre 1200 ºC). El gas puede estar bajo presión, y en ese caso no se requiere del proyecto de la chimenea ni

48 el de ventilador de aspiración. Naturalmente, el ducto donde el generador es ubicado debe ser perfectamente sellado y poder soportar presiones incluso del interior.

2.2 Generadores Pirotubulares. La caldera de vapor pirotubular, concebida especialmente para aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes características. El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor. La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de salida de humos. El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas con bridas de conexión. En cuanto al acceso, al lado agua se efectúa a través de la boca de hombre, situada en la bisectriz superior del cuerpo y con tubuladuras de gran diámetro en la bisectriz inferior y placa posterior para facilitar la limpieza de posible acumulación de lodos. El conjunto completo, calorífugado y con sus accesorios, se asienta sobre un soporte deslizante y bancada de sólida y firme construcción suministrándose como unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar las conexiones a instalación. La caldera, una vez realizadas las pruebas y comprobaciones reglamentarias y legales por una Entidad Colaboradora de la Administración, se entrega adjuntando un "Expediente de Control de Calidad" que contiene todos los certificados y resultados obtenidos.

49

2.2.1 Diseño de calderas pirotubulares

Figura 2.8 caldera Lancáster El material para hogares internos (calderas Cornualles y Lancáster) debe poseer capacidad de deformación suficiente, con alargamiento de fractura mínimo δ= 20 a la temperatura ambiente. Para el cobre se tomará, por límite de fluencia en caliente. Las calderas de tubo de humo de acero, se clasifican de la siguiente manera: 1. De fogón externo. a. Horizontales tubulares de retomo 2. Locomóviles o de locomotora 3. De fogón corto 4. Calderas del tipo compacto 5. Calderas tipo escocés 6. Calderas escocesas tipo paquete a. De cabezal posterior seco, de cabezal posterior de agua y de tapa de agua b. De dos, tres y cuatro retornos (pasos) 7. Calderas verticales tubulares Se construyen en tamaños hasta unos 6800 Kg (15000 lb) de vapor por hora (considerando un rendimiento nominal del 100%). La caldera de baja presión está limitada a 1,05 (kg/cm^2) de presión de vapor en agua caliente La caldera recibe la denominación de caldera de tubos continuos o de tubos de retorno, de acuerdo con la dirección de flujo de los gases.

50 Puede tener un hogar interno, o estar dotada de fogón externo. El hogar interno puede ser del tipo del tubo recto, localizado dentro del cuerpo cilíndrico y rodeado por paredes de agua por ejemplo la caldera de tipo escocés. O puede ser de tipo de caja, con el fogón rodeado de una superficie enfriada por agua, que recibe el nombre de paredes de agua, con excepción de la parte de abajo (piso). Entre las de caja de fuego, quedan comprendidas las de las locomotoras. En las calderas de fogón externo (colocadas sobre muros de tabique o provisto de chaqueta de acero), el hogar está rodeado por una cubierta de material refractario en vez del agua (calderas tubulares horizontales de retomo. Su eficiencia es un poco más alta que la de las calderas horizontales de retorno y que las del tipo locomóvil (alcanza el 80% de eficiencia). Su mejor régimen de operación está entre 17 y 24.4 kg/m2/h de vapor (3.5 a 5 Ib/pie/h) y no debe operarse a mas de 34.2 kg/m2/h (7 Ib/pie m2/h) Componentes importantes de un generador de vapor de este tipo son:
Flujo de gas El combustible es quemado debajo del extremo frontal del cuerpo de la caldera. Los gases calientes de la combustión se deslizan a lo largo de la mitad inferior de la envolvente, llegando hasta la parte trasera de la construcción
El casco El cuerpo de la caldera de tubos de humo puede ser cilíndrico, o de forma ovalada. En cada extremo se adaptan cabezales. Esta construcción especialmente adaptable a las calderas que trabajar, a una presión de 17.6 kg/cm2 (250 lb/plg2) Los fluses se colocan en el cabezal de tubos interior del cuerpo o dentro de los cabezales de extremos La línea del nivel de agua se fija generalmente en un asunto localizado a no menos de 5 cm arriba del borde de la hilera superior de fluses, o de la placa de la corona, suele encontrarse también en calderas que trabajan con presiones hasta de 17.6 kg/cm2 (250 Ib/plg2)

51
Fluses

Fugura 2.9 Los fluses se fijan al cabezal por medio de expansión (ya sea rolándolos o expandiéndolos a presión), o bien se sueldan al espejo. Los fluses pueden ir dispuestos en hileras cales o en forma alternada de zigzag Los fluses son regularmente de 51 mm a 102 mm (2" a 4") de diámetro, y su selección depende de la pérdida de tiro y del tipo de combustible a usar.Frecuentemente se aumenta el diámetro en 25 mm (1") por cada 1.22 m (4') de aumento en la longitud de los fluses.
La caja de fuego Cuando la caja del fogón, ya sea de paredes de agua o de enchaquetado de acero, está construida como parte integral de la caldera, ésta recibe el nombre de portátil con fogón de caja Se construyen también calderas con fogón de caja seccional, para el paso por lugares estrechos El material refractario se coloca después de que la caldera ha sido montada. Si se hace necesario aumentar el volumen del fogón más allá de lo que permiten las dimensiones de la estructura de la caldera,
Puertas. Las puertas de acceso a los fluses se encuentran localizadas frente a los mismos: Las puertas para la limpieza se encuentran en las cajas de humo y otras partes convenientes. Estas puertas son necesarias para remover el hollín y para el cambio de fluses.


Registros El vapor o agua caliente se descarga de la parte superior de la encera por una o varias boquillas o conexiones roscadas. La velocidad del vapor no debe exceder de 14 m/seg ya que de otra manera entraría agua en el sistema y se obtendría un vapor mojado.

52
Tirantes. Cuando no hay tubos que puedan servir de refuerzo a las superficies planas contra las presiones interiores. Existe la posibilidad de reforzar estas superficies mediante tirantes, que pueden ser de brazo, de pernos y tirantes corridos. Los tirantes corridos atraviesan la longitud total del cuerpo de la caldera y conectan los espejos o cabezales entre si.
Soportes. El cuerpo de la caldera está dotado de ménsulas en escuadra y soportes estructurales, independientemente de las cimentaciones de tabique. Se monta sobre una base de acero o de hierro colado

2.2.2 Tipos de calderas pirotubulares
Calderas horizontales Las calderas de vapor pirotubulares OLMAR, se fabrican con producciones comprendidas entre un mínimo de 200 Kg/h y un máximo de 17.000 Kg/h y con presiones que pueden oscilar desde 8 Kg/cm2 hasta 24 Kg/cm2.

Figura 2.10 Cada unidad pasa por estrictos controles durante el proceso de fabricación. Los resultados de estos controles, a los que se suman los que realizan nuestros proveedores en su propio material, conforman un Expediente de Control de Calidad. De esta forma se cumple lo indicado en el Código de Construcción, así como en todas las normas oficiales en vigor, tanto nacionales como de la Unión Europea. Los procesos de soldadura están homologados y los operarios cualificados, siendo las soldaduras radiografiadas según las exigencias del Código de Diseño empleado. A diferencia de otras calderas, cuya parte trasera solo es asequible por el interior del hogar, la caldera de vapor OLMAR dispone en la parte de atrás de una puerta abisagrada y de apertura total que deja al descubierto todo el interior. La facilidad de manipulación y la total accesibilidad, permiten al

53 operario realizar las tareas de limpieza y mantenimiento desde el exterior y lo que es muy importante, incluso inmediatamente después de haber detenido el quemador. Obsérvense otras dos características técnicas de suma importancia, la cámara torna fuego refrigerada por agua en su interior y la ondulación del tubo hogar. Como puede apreciarse el conjunto configura un sistema de tres pases de gases antes de la salida de estos por la chimenea, lo que permite la obtención de altos rendimientos térmicos que garantizan un 89 +/- 2%. Igual atención que el proceso de fabricación, nos merece el mantenimiento de las máquinas, para lo cual la empresa dispone de técnicos especialmente formados pudiendo así garantizar un servicio de asistencia rápido y profesional.


CALDERAS VERTICALES Las calderas de diseño vertical, poseen una gran ventaja sobre las pirotubulares del tipo escocesa puesto que necesitan mucho menos espacio libre para su instalación. Los equipos verticales están disponibles para generación de vapor como para calentamiento de agua desde 10 hasta 40 BHP, las presiones de diseño para vapor son 75, 100, 150 y 200 psi, para agua caliente son 60 y 100 psi.
CALDERAS PARA BIOMASA Dentro de nuestra gama de equipos, también contamos con calderas para Biomasa, los cuales están diponibles para Vapor y para Agua caliente en potencias desde 20 BHP hacia adelante, la presión de diseño en calderas de vapor es de 100, 150, y 200 psi. y en calentadores de 60 y 100 psi.

Figura 2.11 Caldera de biomasa

54

Figura 2.12

2.3 Equipos auxiliares al sistema de generación de vapor 2.3.1 Equipo de suavización de agua Convierte el agua común en agua “blanda”, la cual puede ser utilizada para alimentar la caldera. Por su importancia, este equipo se tratará por separado en otra guía de operación.

2.3.2 Tanque de retorno de condensados Es un recipiente que contiene el agua de alimentación a la caldera y debe de cumplir con tres funciones primordiales: • •

•

Mantener una reserva mínima de agua, suficiente para alimentar a la caldera durante 20 minutos; esto determina las dimensiones que debe tener. Recuperar el agua suave de los retornos de los condensados. Para mantener económica la producción de vapor, debe recolectarse el condensado, ya que es agua suavizada y calentada, que tiene un costo extra en su producción y por lo tanto no debe desperdiciarse. Precalentar el agua de alimentación a la caldera. El agua de alimentación a las calderas debe estar a la mayor temperatura posible para evitar daños internos a la caldera al introducirle agua “fría”, y además por economía, para gastar menos combustible al elevar la temperatura del agua para convertirla en vapor. Cuanto más caliente se le introduzca el agua, más aumenta la capacidad de la caldera.

55

2.3.3 Tanque deareador o desaereador Cuando las calderas instaladas sobrepasan de 200 caballos caldera, para producción de vapor, se justifica la utilización de este tipo de tanque, que cumple con las mismas funciones del tanque de condensados, además de que remueve el excedente de aire y los gases corrosivos (oxígeno, bióxido de carbono) a través de un deareador que se instala en su interior para crear corriente de vapor que obligue a salir por el venteo (puede ser automático o manual)

3 Termodinámica de un Caldera y Generador de vapor. 3.1 Introducción En esta sección se tratan temas como la combustión, transferencia de calor, y flujo de fluidos, son los temas sobre los que se basa la tecnología de la caldera. Estas disciplinas implican numerosas aplicaciones. Sólo ciertas facetas de estos temas son aplicables a las calderas. Este capítulo trata de captar las partes pertinentes para una referencia rápida del tema a tratar. Los temas a tratar son:
Fluido flujo
Circulación
De combustión
Ciclos termodinámicos

3.2 Propiedades de vapor y de agua El agua, junto con su fase de vapor, es el fluido de trabajo de la caldera. Cuando el agua se calienta a una cierta presión en un espacio cerrado, su temperatura se eleva hasta alcanzar su punto de ebullición y se convierte en agua saturada. Este proceso es denomina punto de ebullición, que es la adición de calor a presión constante y temperatura constante. De este calor agregado, llamado calor latente, resulta cada vez más vapor, y la sequedad del vapor húmedo sigue aumentando hasta que el agua se convierte en vapor. Cuando la sequedad alcanza el 100%, se convierte en vapor saturado. Además, más calor, eleva la temperatura del vapor esta alcanzar el llamado vapor sobrecalentado. Estas etapas se muestran en la Figura 3.1. El calor latente se reduce progresivamente con el aumento de las presiones de vapor hasta que se se convierte en cero en el punto crítico. A esta presión de 221,2 bar/225.5 kg/cm2 abs (3.206,2 psia) con la temperatura del vapor correspondiente de 374,1 ° C (705,4 ° F), el agua s e convierte en vapor

56 directamente, sin la etapa intermedia de la evaporación. Estos valores se basan en tablas ASME vapor, que puede estar en una variación fraccional de otras tablas. Estos son condiciones de presión critica y temperatura crítica, y más condiciones supercríticas (SC). En la industria es normal que se refieren a las condiciones de> 250 bar ultra supercríticas.

3.2.1 ebullición / evaporación Hervir el agua es la adición de calor latente a temperatura constante. Es de dos tipos. Considere calentamiento de agua en una cacerola. Cuando el calentamiento es relativamente baja, se forman burbujas en la parte inferior y se levantan, llevando el calor con ellos. El fondo está siempre cubierto por el agua film, que mantiene la superficie fría y cerca de la temperatura del líquido. Este es nucleada punto de ebullición, y todos los esfuerzos se hacen para permanecer en este régimen en una caldera ya que el agua absorbe la de calor latente. Cuando el calor es demasiado alto y flujo de calor es grande, la película de agua en el fondo con rapidez se evapora y se sustituye por una película de vapor con baja conductividad. Como resultado, la superficie ya no se enfría adecuadamente y tiende a alcanzar una temperatura cercana a la fuente de calor. Esta es ebullición, que debe ser evitado en caldera de la práctica en todas las condiciones. El agua se mueve a velocidades de 3.2 m / s en la entrada a una tubo puede prevenir con eficacia de ebullición, como en las superficies de evaporación de las calderas.

3.2.2 Leyes de vapor y de agua El agua es un líquido incompresible y obedece todas las leyes de líquidos. El vapor es un vapor compresible y obedece las leyes de los gases. El vapor húmedo es una mezcla de agua y vapor y sigue las leyes de compresibilidad de flujo de fluidos de dos fases

3.2.3 Densidad La densidad del agua saturada, que es 958 kg / m 3 (59,8 lb/m3) a 100 ° C, disminuye con la aumento de la presión, a medida que aumenta la saturación de la temperatura, haciendo que el agua expandirse. La densidad de vapor, por el contrario, aumenta con la presión cada vez mayor, ya que se comprime. Esta diferencia de densidad en ningún tipo de presión es la fuerza impulsora detrás de la promoción circulación en un circuito evaporador. A una presión de 70 bar, el agua es de ~ 20 veces más pesado que el vapor. A una presión de 200 bar, la diferencia de densidad se reduce a ~ 3, que sigue siendo adecuada que la circulación natural en las calderas. En el punto crítico las dos cargas se igualdad de 315,5 kg / m 3 (19.7 lb/ft3), como se muestra en la Figura 3.2.

57

Figura 3.1

figura 3.2

Tabla 3.1

3.2.4 Calor de distribución en varios niveles de presión Con el aumento de la presión del vapor, la adición de calor latente se reduce. En consecuencia, las cargas de trabajo del recalentador (SH) y recalentador (RH) siguen aumentando mientras que la de evaporador / caldera mantiene la reducción. Tabla 3.1 ilustra este punto. Figura 3.3 ilustra esto por presiones > 100 bar. Las superficies de calefacción (SHs) también mantienen una tendencia similar a las presiones aumentadas.

3.2.5 vapor / Ciclo de Rankine El propósito de la producción de vapor en una caldera en una central eléctrica es para expandirse en una turbina para obtienen energía mecánica a partir de energía térmica (y con la ayuda de un generador de convertirlo en energía eléctrica). El vapor completamente abiertos (a niveles de vacío) se convierte de nuevo en agua de enfriamiento y condensación del vapor en un condensador y volviendo a la bomba de alimentación para presurizar el agua subenfriado a la presión de la caldera que sea necesario. Este ciclo se llama el ciclo de vapor o de Rankine, las características principales son las siguientes:

58 • •

El calor del condensador se pierde y paga para minimizar esta pérdida. Ciclo de eficiencia = (total de calor del vapor - la pérdida de calor en el condensador) / total de calor de vapor = Área bajo 1234561/area en 12.345 en la Figura 3.1.

figura 3.3

figura 3.4

• •

•

En el total de calor del vapor, el calor de RH también se incluye si el RH se instala. La eficiencia del ciclo mejora con el RH según el calor de vapor se incrementa más que lo perdido en el condensador. La eficiencia del ciclo aumenta cuando: -El vapor se genera en la presión más alta posible y la temperatura. -El vacío en el condensador es el más bajo posible. -El vacío en el condensador está limitada por la temperatura de entrada de agua de refrigeración y el aumento de la temperatura admisible La eficiencia del ciclo puede ser mejorada mediante el calentamiento de regeneración de la condensación, mediante la extracción de una parte del vapor de la turbina y la transferencia de su calor al condensado, en lugar de

59 ampliar a la presión del condensador completamente y perder todo el calor latente del agua de la refrigeración. Esto se realiza progresivamente a lo largo de varios niveles de presión en la turbina para transferir la energía óptima para aumentar la eficiencia.

3.2.6 Propiedades de vapor y de agua Propiedades confiable, precisa de vapor y del agua son esenciales para el tamaño y la operación de la caldera. Para todos los efectos prácticos de las tablas existentes son fiables y suficientemente precisos para el diseño de la caldera y la aceptación a pesar de pequeñas diferencias entre ellos.

2.2.7 Mollier tabla o diagrama entalpía-entropía (H-s) Total tabla H-s en unidades imperiales (Figura 3.5), así como un extracto de la parte pertinente para el funcionamiento de la caldera en el SI (Figura 3.6) se incluye aquí para referencia.

3.2.8 Diagrama temperatura-entropía (T-s) El diagrama T-s en unidades imperiales se muestra en la Figura 3.7, que se utiliza para representar el ciclo de vapor y la comprensión de la forma en que el vapor en peso (SBW) aumenta a medida que el agua es climatizada.

Figura 3.5

60

Figura 3.6

figura 3.7

61

3.3 Transferencia de Calor La transferencia de calor parte con la transmisión de energía térmica de mayor a menor nivel de uno o una combinación de los tres modos clásicos de transmisión, la conducción, convección y la radiación. Los fundamentos de estos procesos de transferencia de calor son individualmente simples, pero las aplicaciones son complejas debido a la ocurrencia simultánea de varios modos de transferencia de calor, las formas irregulares que participan, las condiciones dinámicas, y así sucesivamente. Eso es por qué el calor de la transferencia es una ciencia no tan exacta, porque las variables son muchas y son dinámicas. Además, un cuerpo muy grande de datos sobre las propiedades fundamentales de los materiales es necesario. 1

La conducción es la transferencia de calor de una parte de un cuerpo a otro, o de un cuerpo a otro en contacto físico. Es el flujo de energía que se produce en una sustancia sin movimiento apreciable de las moléculas debido a las vibraciones del enrejado y el flujo de electrones libres. Calor flujo de gases combustión al agua / vapor a través de la de pared de metal en una caldera, la pérdida de calor del horno a la atmósfera circundante a través de aislamiento y la pérdida de calor del vapor caliente / tuberías de agua a través del aislamiento son ejemplos de conducción.

2

La convección es el flujo de energía procedente de la superficie de la planta que rodea el uid debido a la conducción y la mezcla de flujo de moléculas. Es la transferencia de calor 2.1 Desde un punto a otro dentro de un fluido debido a su movimiento 2.2 Desde un fluid para otro por la mezcla de fluidos 2.3 Entre un sólido y un fluido a través de un movimiento relativo entre ellos Calor flujo de gases combustión a los bancos de tubos y pérdida de calor del revestimiento de la caldera o la pipa son ejemplos de convección.

La convección puede tener lugar en: a. Una sola fase como en la convección forzada o libre. i. convección forzada. Una fuerza externa se mueve la planta UID sobre la superficie. La las velocidades y las tasas de transferencia de calor por radiación son naturalmente más alto. ii. convección libre. Sólo una fuerza natural es en el trabajo, tales como la gravedad o flotación. Las velocidades y las tasas de transferencia de calor son más bajos. Dos fases como en ebullición o condensación i. Ebullición. Cuando un líquido absorbe el calor de una superficie, que está a una temperatura más alta que la temperatura de saturación, se produce un cambio de fase como el líquido se convierte en vapor, lo que se llama punto de ebullición. ii. Condensación. Cuando un vapor reparte el calor en contacto con una superficie, que está a una temperatura más baja que la temperatura de saturación, se produce un cambio de la fase como el vapor se convierte en líquido, lo que se llama condensación.

62 3

La radiación es la transferencia de calor por ondas electromagnéticas de la superficie sin el necesidad de ningún medio. Flujo de calor en un horno de la caldera es casi en su totalidad por la radiación.

3.4. Reacción teórica Es la reacción de combustión total, pasando todo el C a CO2 y H a H2O. Es una característica del combustible, independiente del proceso de combustión posterior. C8H18 + a (O2 + 3,76 N2) → b CO2 + c H2O + d N2 El ajuste de la ecuación se realiza con balances individuales (C, H, O, N). De esta manera, se puede deducir la ecuación química estequiometria: C8H18 + 12,5 (O2 + 3,76 N2) → 8 CO2 + 9 H2O + 47 N2

3.4.1. Reacción real Es una característica del proceso de combustión, que recoge en una ecuación el balance de materia e incluye elementos que no están contemplados en el modelo de la reacción teórica. a.[CuHvOwNxSy] + b.[O2] + 3,76b.[N2] + c.[humedad] + d.[impurezas] = e.[CO2] + f.[H2O] + g.[O2] + h.[H2] + i.[CO] + j.[SO2] + k.[NO] + l.[NO2] + m.[cenizas] + a.PCI [CuHvOwNxSy] es 1 mol de materia combustible (compuesto o mezcla), o 1 kg.

3.5. Análisis de la potencia de la caldera Una herramienta fundamental para la determinación de la eficiencia de la caldera es el ciclo de Rankine; en el cual se busca encontrar la cantidad de energía absorbida por la caldera, la cual se explicará en el siguiente inciso.

3.5.1. Ciclo Rankine El ciclo de Rankine está constituido por las siguientes etapas:
Calentamiento reversible a presión constante
Expansión adiabática reversible
Enfriamiento reversible a presión constante
Compresión adiabática reversible Dado que el proceso de añadir calor a la sustancia de trabajo se efectúa reversiblemente, el área bajo la curva formada por las trayectorias 1 → 2 → 3 en el diagrama T-s (figura 3.8 ) representa la cantidad total de calor añadido al sistema.

Figura 3.8. Ciclo de Rankine

63 Si se hace que esta área sea igual al área bajo la línea horizontal 6 → 7, se puede escribir Tm2 (s1 – s6) = Qent Donde Tm2 se conoce como temperatura media efectiva de la adición de calor. De la misma manera, se puede escribir Tm1 (s4 – s5) = |Qsal| Donde Tm1 recibe el nombre de temperatura media efectiva de la sustracción de calor Por definición, la eficiencia térmica del ciclo,

en los términos de temperaturas medias efectivas arriba definidas, la eficiencia térmica del ciclo 1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 1 (ver figura 6) se puede escribir como

pero s7 = s4 y s6 = s5; la ecuación se reduce entonces

Los cálculos relacionados con el funcionamiento de un ciclo de Rankine son relativamente sencillos. Suponiendo que para efectuar la parte del ciclo cada componente del equipo opera en estado permanente con flujo también permanente y que los cambios de energía cinética y de energía potencial son despreciables, se tiene, al considerar la primera ley, los siguientes resultados: Qent = h3 – h1 WT = h3 – h4 Qsal = h5 – h4 Wp = h5 – h1

64 De esta manera, la eficiencia del ciclo se puede expresar como

3.6. Eficiencia de la caldera La eficiencia de una caldera se define como la razón entre el calor absorbido por el agua de alimentación al convertirse en vapor en la caldera, y la energía total disponible del combustible suministrado. Es decir, la eficiencia es una medida del aprovechamiento del combustible por la caldera al generar una determinada cantidad de vapor. No es económicamente factible la fabricación de una caldera que funcione con muy pocas pérdidas de calor o sin ellas y por consiguiente, la eficiencia de una caldera siempre es menor del 100%. No obstante, algunas de las pérdidas de calor pueden reducirse al máximo o eliminarse mediante prácticas apropiadas de operación y mantenimiento. La eficiencia de una caldera de vapor en condiciones de funcionamiento es:

Donde ŋt = rendimiento del generador de vapor. ms = gasto másico de agua, kg/hr mf = peso total de combustible quemado por hora, en kg. PCS = potencia calorífica superior del combustible quemado, en kJ/kg.

3.7. Análisis de combustión de la caldera Como se sabe, en toda caldera existen insumos y productos; los cuales poseen características que se utilizan en conjunto que pueden ser utilizados para establecer índices de mantenimiento.

65

3.7.1. Aire teórico, exceso de aire y relación aire combustible El oxígeno para la combustión normalmente proviene del aire, donde se encuentra en una proporción de un 21% del volumen total. La mayor parte del 79% es nitrógeno. El nitrógeno es de menor importancia en la producción de calor puesto que sólo un porcentaje muy pequeño forma parte de las reacciones químicas de la combustión. Sin embargo, tiene un efecto significativo en la eficiencia de la caldera ya que parte del calor liberado por la reacción de la combustión tiene que ser utilizado para calentar el nitrógeno a la misma temperatura de llama más baja que si se usara oxígeno puro. Se denomina aire teórico (aire seco) a la cantidad de aire necesaria para una combustión perfecta. Cualquier cantidad de aire que exceda el aire teórico se le conoce como exceso de aire, es decir 110% de aire teórico es equivalente al 10% de aire en exceso. El aire mezclado con el combustible en el quemador, se denomina aire primario. Otro parámetro importante de aplicación en los procesos de combustión es la razón aire-combustible (AC), tomando como base un mol de combustible,

3.8. Balance de energía para sistemas en estado permanente con flujo permanente y reacciones químicas Despreciando los cambios en energía cinética y en energía potencial, se tiene, de la primera ley para flujo permanente a través de un sistema en estado permanente

Figura 3.9 . Sistema generalizado con flujo permanente con reacciones químicas

66

Donde Hp2 = entalpía de los producto en el estado 2 HR1 = entalpía de los reactivos en el estado 1 Puesto que se tiene un cambio en la composición del sistema, resultan también cambios en las propiedades químicas de las sustancias involucradas. Los datos de entalpía necesarios para la evaluación de (Hp2- HR1), deben ser en principio, valores absolutos. Esto significa que las diversas tablas de propiedades termodinámicas de cada sustancia a utilizar, no pueden utilizarse para la determinación de (Hp2- HR1). Para eliminar esta dificultad, conviene volver a escribir (Hp2- HR1) de la siguiente manera: Hp2- HR1 = (Hp2- Hp0) - (HR1- HR0) + (Hp0- HR0) Donde Hp0 = entalpía de los productos en un estado estándar T0 (generalmente 25ºC) y p0 (1 atm) HR0 = entalpía de los reactivos en el mismo estado estándar que Hp0 Los primeros términos encerrados entre paréntesis en el lado derecho de la ecuación pueden escribirse:

Resulta claro que el cálculo en las ecuaciones puede obtenerse Utilizando las tablas de propiedades termodinámicas para diferentes sustancias simples comprensibles, ya que se tiene únicamente cambios de entalpía para la misma sustancia, entre dos estados. Resulta que la cantidad (Hp0- HR0) se denomina entalpía de reacción estándar, donde Q se puede escribir como:

Donde ∆Ho = Hp0- HR0 = entalpía de reacción estándar.

3.9. Entalpia de reacción y poderes caloríficos de los combustibles Considerando el dispositivo que opera en estado permanente con flujo también permanente a presión constante y sin transferencia de trabajo, despreciando los cambios de energía cinética y potencial, se tiene la primera ley Q = HP2 – HR1 = ∆H Si tanto los reactivos como los productos están a la misma temperatura, la cantidad ∆Ho recibe el nombre de entalpía de reacción, consiste simplemente en la cantidad de calor trasferido por lo que con frecuencia se llama calor de reacción. Si la reacción química bajo consideración es un proceso de

67 combustión, a la entalpía de reacción se le conoce también como entalpía de combustión. En la practica, a la energía que es posible obtener quemando un combustible cuando los reactivos y los producto están a la misma temperatura se le conoce como poder calorífico del combustible, definiéndolo como poder calorífico = ∆Ho.

La mayoría de los combustibles comunes contienen hidrógeno que, al quemarse, forma H2O. El H2O en los productos puede aparecer como líquido o como vapor, cuando aparece como líquido, el poder calorífico recibe el nombre de poder calorífico superior (PCS) del combustible, si aparece en la fase gaseosa, se llama poder calorífico inferior (PCI) del combustible.

3.10. Capacidad de producción de vapor de las calderas. La producción de un generador de vapor se da frecuentemente en kilogramos de vapor por hora, pero como quiera que el vapor a distintas presiones y temperaturas posea diferentes cantidades de energía, aquel sistema no mide exactamente la energía producida. La capacidad de una caldera de vapor se expresa más concretamente en forma del calor total transmitido por las superficies de caldeo en Kcal por hora. Debido a que este valor numéricamente es grande, la ASME recomienda como unidades el kilo BTU por hora, o mega BTU por hora, o en el sistema internacional el Kilo joule (KJ) por hora. El proceso de transmisión de calor que tiene ocasión en un generador de vapor es un proceso de flujo constante, en el cual el calor transmitido es igual a la variación de la entalpia del fluido. Por consiguiente, la producción de la caldera medida por el calor absorbido por el agua y vapor será:

Donde : Producción de la caldera, en unidades de energía por hora : Peso del vapor producido por la caldera, en unidad de masa por hora : Entalpia del vapor a la presión y titulo o temperatura observada, en unidades de energía por unidad de masa : Entalpia del líquido de alimentación en las condiciones en que dicha agua llega a la caldera, en unidades de energía por unidad de masa Cuando el peso de vapor es la cantidad máxima que la caldera puede producir por hora a la temperatura de trabajo especificada, la ecuación antes mostrada de cantidad de calor da la capacidad máxima. Pero si representa el peso de vapor que la caldera puede producir con más eficiencia, la producción correspondiente se denomina capacidad normal. La potencia en HP de caldera, tal como fue establecida en 1889 por la ASME, estaba basada en una máquina de vapor que empleaba 30 libras (13,62 Kg) de vapor por HP hora a una presión relativa de 4,9 Kg/cm2 y con el agua de

68 alimentación de la caldera a 38,5ºC, lo cual significa la conversión de 15,55 Kg de agua por hora a 100ºC en vapor seco a 100ºC, a la presión atmosférica normal de 1,033 Kg/cm2. En estas condiciones cada kilogramo de vapor producido requiere la entalpia de vaporización a la presión atmosférica normal, la cual vale 543,3 Kcal. Por consiguiente la capacidad de una caldera podrá expresarse de la siguiente forma:

Aunque el término “HP de caldera” no se considera actualmente como una unidad aceptable de capacidad de caldera, el hecho de haberse empleado durante muchos años exige que el técnico conozca su significado y limitaciones. Otras unidades de capacidad de caldera que se han utilizado para fines comparativos son el factor de vaporización y la vaporización equivalente. El factor de vaporización es la relación entre calor absorbido por 1 Kg de agua de alimentación en las condiciones reinantes en la caldera y el absorbido por 1 Kg de agua a 100ºC. De donde resulta:

La vaporización equivalente se define como los kilogramos de agua por hora a 100ºC si se hubiese absorbido la misma cantidad de energía que en las condiciones observadas en la caldera. Por lo tanto:

Un término utilizado especialmente para pequeñas calderas es la potencia nominal. Todas las calderas pequeñas están basadas en 0,93 m2 de superficie de caldeo por HP de caldera. Según este procedimiento todas las caldera que tengan la misma superficie de caldeo tienen la misma potencia nominal; ahora bien, una caldera puede tener su superficie de caldeo dispuesta en forma más ventajosa que otra y, como consecuencia, mas capacidad en condición de trabajo similar. La potencia nominal no expresa las limitaciones de capacidad de las calderas de hoy día, ya que la mayoría de las calderas de las centrales térmicas pueden desarrollar del 400 al 600% de potencia nominal y algunas de ellas trabajan durante largos periodos al 300%. El rendimiento de las calderas puede disminuir cuando desarrollan más de su potencia nominal. Esta disminución de rendimiento no suele ser apreciable hasta que la caldera desarrolla el 200% o más de su potencia nominal, y es debida a la ineptitud de la caldera a absorber el calor adicional liberado por el fuego en estas condiciones de trabajo.

69

3.11. Comportamiento de las calderas El comportamiento de un generador de vapor puede expresarse en función de los kilogramos de vapor producidos, velocidad de combustión, transmisión de calor en Kcal por metro cuadrado de superficie de caldeo y por hora, temperatura de los gases de la chimenea, porcentaje de co2 en dichos gases, combustible sin quemar contenido en las cenizas y escorias, porcentaje de la potencia nominal de la caldera desarrollado, y rendimiento global. El rendimiento global de una caldera de vapor en condiciones de funcionamiento cualesquiera es la relación entre el calor transmitido y la energía suministrada en forma de combustible, es decir:

En donde: : Rendimiento del generador de vapor, en %; incluyendo caldera, recalentador, hogar, camisas de agua, calentador del aire y economizador : Peso total de combustible quemado por hora, en Kg; m3 por hora tratándose de combustibles gaseosos : Potencia calorífica superior del combustible quemado, en Kcal por Kg; Kcal por m3 tratándose de combustibles gaseosos. La velocidad de combustión se puede expresar en kilogramos de combustible quemado por metro cuadrado de superficie de parrilla y por hora; o por metro cubico de volumen de hogar y por hora. La capacidad que una caldera puede desarrollar depende de la velocidad de combustión, es decir, de la clase de combustible, tamaño y tipo de parrilla, y cantidad de aire suministra. En calderas de tipo de locomotora se han obtenido velocidades de combustión de 976 Kg de carbón por m2 de superficie de parrilla, y por hora, dando como resultado una gran cantidad de producción, pero a expensas del rendimiento. En las centrales térmicas modernas se determina experimentalmente la velocidad de combustión apropiada para conseguir el máximo rendimiento en una caldera determinada. El rendimiento aumenta con la capacidad de la caldera y velocidad de combustión hasta alcanzar un valor máximo, pasado el cual disminuye al aumentar la capacidad de producción. La punta de curva de rendimiento se alcanza, si se sobrepasa el último valor, el rendimiento disminuye debido al aumento de las perdidas caloríficas producidas al crecer la temperatura de los gases de la chimenea y al aumentar la cantidad de combustible sin quemar que queda con las cenizas y escorias. Una caldera más grande equipada con hogar para carbón pulverizado y economizador presento la punta de rendimiento, lo cual corresponde a un vapor comprendido entre el 300 y 400% de la potencia nominal de dicha caldera. Comparando curvas de las temperaturas de los gases de chimenea se observa que utilizando un economizador disminuye el calor lanzado a la atmosfera con dichos gases.

70 Las calderas provistas de hogares mecánicos pueden alcanzar un rendimiento comprendido entre 60 y 85%, dependiendo principalmente del tamaño de la caldera, forma del hogar y equipos auxiliares instalados para la recuperación de calor. Grandes instalaciones que queman carbón pulverizado tienen rendimiento de entre 80 y 88%. Si en estas centrales se utilizan precalentadores de aire y economizadores, se consiguen en ocasiones rendimientos globales del 85 al 92%.

3.12. Balance térmico de los generadores de vapor La distribución del calor de la combustión del combustible en el hogar de una caldera se comprende mejor por medio del balance térmico, el cual consiste en confeccionar una tabla con el calor absorbido por el generador de vapor y con las varias perdidas caloríficas concurrentes en la combustión. Generalmente los cálculos se expresan en Kcal por Kg de combustible y en porcentajes; por consiguiente los totales tendrán que ser la potencia calorífica superior del combustible quemado y 100, respectivamente. Los conceptos que hay que considerar son los siguientes: 1. Calor absorbido por el generador de vapor. El calor absorbido por el generador de vapor (incluyendo el economizador y recalentadores, caso de utilizarlos) puede calcularse por la formula

En donde en Kcal absorbidas por el agua y vapor por kilogramo de combustible, tal como se quema. Las restantes letras tienen el mismo significado que las formulas antes explicadas. 2. Perdidas caloríficas debidas a la humedad del combustible. La humedad del combustible se vaporiza y abandona la caldera en forma de vapor recalentado. La presión absoluta parcial del vapor recalentado en los gases de los humerales se supone que vale 0,07 Kg/cm2. Su temperatura es la de dichos gases En donde, : Perdidas caloríficas en Kcal por kilogramo de combustible tal como se quema : Peso de la humedad libre, en kilogramo por kilogramo de combustible tal como se queman : Entalpia del vapor recalentado a la temperatura de los gases de los humerales y a una presión absoluta de 0,07 Kg/cm2, en Kcal por Kg : Entalpia del líquido a la temperatura a la cual el combustible entra en el hogar, en Kcal por Kg.

71 3. Perdidas caloríficas debidas al agua procedente de la combustión del hidrogeno. El hidrogeno del combustible al quemarse se transforma en agua, la cual abandona la caldera en forma de vapor, recalentado

En donde, : Perdidas caloríficas en Kcal por kilogramo de combustible tal como se quema : Peso en kilogramos por kilogramo de combustible tal como se quema 4. Perdidas caloríficas debidas a la humedad del aire suministrado Perdidas caloríficas son pequeñas y pueden calcularse mediante la formula De donde, : Perdidas caloríficas, en Kcal por kilogramo de combustible tal como se quema : Porcentaje de saturación expresada en forma decimal multiplicado por el peso de vapor de agua re querido para saturar 1 Kg de aire seco a , multiplicado por el peso de aire seco empleado por kilogramo de combustible, tal como se quema. : Calor especifico medio del vapor de agua desde a : Temperatura de los gases de la combustión a la salida de la caldera, en ºC : Temperatura del aire al entrar en el hogar, en ºC 5. Perdidas caloríficas debido a los gases de la chimenea secos. Estas perdidas es generalmente la más importante y se calcula por la siguiente formula

En donde, : Perdidas en Kcal por kilogramo de combustible tal como se quema : Peso de los gases secos a la salida de la caldera, en kilogramos, por kilogramo de combustible tal como se quema : Calor especifico medio de los gases secos (valor aproximado de 0,24)

6. Perdidas caloríficas debidas al combustible gaseoso sin quemar Esta pérdida generalmente es pequeña y es debida a que el aire se suministra en cantidad insuficiente, lo cual da como resultado que parte del carbono del combustible forme oxido de carbono En donde, : Perdidas caloríficas en Kcal por kilogramo de combustible tal como se quema

72 : Porcentaje en volumen determinado por análisis de los gases de los humerales : Peso del carbono realmente quemado por kilogramo de combustible 7. Perdidas caloríficas debido al combustible sin consumir contenido en las cenizas y escorias. Parte del carbono del combustible, ya sea sin quemar o parcialmente quemado, cae en el cenicero. Estas perdidas dependen del tipo de parrilla, velocidad de combustión y tamaño y clase de carbón. En donde, : Perdidas caloríficas en Kcal por kilogramo de combustible tal como se quema : Peso de las cenizas y escorias, en kilogramos por hora : Peso de carbono, en Kg de cenizas y escorias 8. Perdidas caloríficas debidas al hidrogeno e hidrocarburos sin consumir, radiación y otras perdidas. Estas pérdidas se determinan restando el calor absorbido por la caldera, y las perdidas caloríficas 2 a 7 inclusive, de la potencia calorífica del combustible tal como se quema. Perdidas varias son aquellas que no se pueden medir.

El balance térmico tal como se calcula ordinariamente da únicamente la distribución de las perdidas del generador de vapor trabajando durante un periodo de tiempo limitado, pero no representa condiciones promedio de trabajo, toda vez que no se consideran las pérdidas circunstanciales. Estas pérdidas comprenden: (1) perdidas caloríficas que se producen al apagar la caldera; (2) combustible requerido para poner en marcha la caldera estando fría; (3) combustibles quemado mientras se arreglan los fuegos, y (4) calor perdido con el agua al hacer purgas, y al limpiar las superficies de la caldera. Algunas de las perdidas caloríficas reales pueden reducirse considerablemente e incluso eliminarse del todo; otras son inherentes y no pueden evitarse. Perdidas inherentes son aquellas pérdidas producidas al descargar los productos de la combustión (gases de los humerales, humedad del combustible, humedad del aire suministrado para la combustión, humedad producida por la combustión del hidrogeno) a temperatura más elevada que aquella a la cual entran en el hogar.

73

Conclusión En el presente estudio sobre las diversas cualidades de los generadores de vapor, se ha podido demostrar la gran importancia que tienen los mismos en el trabajo de un ingeniero químico, como poder optimizar el funcionamiento del mismo y de que formas utilizarlas. Con ello, se ha visto demostrado la relevancia de estos equipos en la generación de vapor en los procesos químicos y que entregan un fundamento teórico rígido a ejecución de ciertas plantas como es el caso de las industrias productoras de energía. Cabe destacar las diversas formas en que operan los generadores de vapor como lo es el caso de las unidades tanto acuotubulares, o bien, pirotubulares los que, a pesar de tener el mismo objetivo, hay propiedades como también variables del proceso que se deben manejar con el fin de localizar y determinar la preferencia de uno de ellos sobre el otro, además de verse condicionado con las eficiencias de calor que estos entregan al proceso cada uno de estos tipos de generadores. Debido a lo anterior es importante tener un conocimiento adecuado de una caldera y generador de vapor, ya que no solo se compone de un solo equipo sino de varios que buscan la máxima optimización de los proceso de la producción de vapor dentro de una caldera, es así que por ejemplo el sobrecalentador, recalentador y economizador mejor el redimiendo de la caldera y por lo tanto de todo el proceso de producción de vapor. Toda esto conocimientos de la calderas y vapor nos dan un gran paso para la posible diseño de un caldera, dando restricciones a cada uno de los equipo de calderas que sean de tipo acuotubulares o pirotubulares. Pero toda esta restricción del diseño no seria nada sin un fundamento y análisis termodinámico consistente al proceso.

74

Bibliografía
Boilers for power and process. Kumar Rayaprolu. Editorial CRC press. 2009
Steam generators description and design. Donatello Annaratone. Editorial Springer.2008
Power Plant Engineering. Black &Veatch. Editorial Springer. 1996
www.power-technology.com/contractors/boilers
www.gener.cl
www.yoshimine.co.jp/en/products/product_h.html
http://www.instrumentacionycontrol.net/es/curso-control-decalderas
http://hpac.com/bse/
http://en.wikipedia.org/wiki/Boiler_%28steam_generator%29
http://en.wikipedia.org/wiki/Boiler