2 Calderas

7/30/2019 2 Calderas

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Prof. Ing. Carlos Revilla

Guía de Estudio – Generación de PotenciaTema 2 - Calderas

INTRODUCCIÓN:El Tema de la generación de potencia es central para la industria en general,aunque probablemente esta expresión se pueda extender incluso hasta abarcartodos los ámbitos de la actividad humana. La ingeniería mecánica ha prestandoespecial atención a este campo en particular y ha creado métodos de generaciónde potencia a partir de variadas fuentes energéticas. En el presente tema sedesarrolla el tema de las Calderas de Vapor, que es precisamente uno de estosmedios ingenieriles que desde hace bastante tiempo ha servido para extraerpotencia mecánica del vapor en expansión.

Una caldera es un intercambiador de calor en el que la energía se aportageneralmente por un proceso de combustión, o también por el calor contenido enun gas que circula a través de ella. En ambos casos, el calor aportado setransmite a un fluido, que se vaporiza o no, y se transporta a un consumidor, enel que se cede esa energía.

PARTE I – CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS:

Existen diferentes criterios sobre los cuales e puede llevar a cabo la clasificaciónde las calderas, a continuación se procederá a clasificarlas por sus característicasmás peculiares:

Clasificación de las calderas por su aplicación:

Teniendo en cuenta su aplicación, las calderas se clasifican en los siguientesgrupos esenciales:

· Para usos domésticos: Se utilizan para la calefacción doméstica, bienindividual, o comunitaria de pequeño tamaño. Son de pequeñas potencias, y no seconsideran dentro de la presente descripción.

· Para generación de energía en plantas termoeléctricas: Se utilizan para la

generación de vapor sobrecalentado a altas presiones, como fluido motriz degrupos turboalternadores, para generar energía eléctrica. Son de grandespotencias, y tampoco se van a considerar dentro del objetivo de la presentedescripción.

· Para plantas de cogeneración: Utilizan los gases calientes del escape deturbinas de gas, o de motores de explosión para que, circulando a través de ellas,cedan su calor para generar un fluido térmico que se transporta hasta unconsumidor, donde cede su energía, que como el caso anterior puede ser vapor



sobrecalentado. Son calderas llamadas de recuperación, generalmente de grandespotencias.

· Para aplicaciones marinas en barcos: Se instalan en los barcos comogeneradores de su vapor motriz. La presente descripción se ocupa solo de las

calderas terrestres, pero, es evidente, que, las calderas marinas no difierensensiblemente de las terrestres, si bien, se instalan hoy día en barcos en muypocas ocasiones.

· Para generación de energía en plantas industriales: Generan energía paraconsumo interior propio de una fábrica. Su instalación es estática yevidentemente terrestre y sus aplicaciones específicas son, fundamentalmente, lassiguientes:

1.- Generación de vapor, para aplicaciones directas en procesos de producción.

2.- En algunas aplicaciones puntuales, el vapor generado a alta presión essobrecalentado y primeramente se le utiliza para producir energía eléctrica propiaaccionando un grupo turboalternador y utilizando el vapor de contrapresión a susalida para las aplicaciones directas en los procesos de producción.

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

Fig. 2.2 – Esquema de una central de generaciónde energía eléctrica con vapor a contrapresiónpara el proceso



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

Clasificación de las calderas por su diseño:

Teniendo en cuenta el diseño, las calderas para generación en plantasindustriales, se clasifican en dos grandes grupos: Pirotubulares, o de tubos dehumos; y acuotubulares, o de tubos de agua.

Calderas Pirotubulares:

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

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

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



evacuación. De ello, su otro nombre de calderas de tubos de humo.

En estas calderas, tanto los hogares, como los tubos de humo están en el interiorde la virola, completamente rodeados de agua. Para generar vapor, se regula elnivel medio del agua en su interior, de forma que varíe dentro de una banda

prevista, sirviendo su cámara superior de separador del vapor generado, desdedonde sale al consumo por la tubuladura de salida.

Para generar agua sobrecalentada, la caldera está completamente inundada,siendo iguales los conductos de entrada y salida de agua. Las calderas paragenerar fluido térmico, son similares a las de generación de agua sobrecalentada,pero más simples en su construcción. Tienen escasa demanda, por lo que seexcluyen de la presente descripción.

Para la selección de compra de las calderas pirotubulares, se deberá tener encuenta el estricto cumplimiento de las siguientes características esenciales:

1.- Que los hogares interiores, en los que se forma la llama sean ondulados entoda su longitud.

2.- Que tenga tres pasos de humos, el primero a través de los hogares, y losrestantes a través de los tubos de humo.

3.- Que tengan dos hogares (un quemador en cada hogar) a partir de unadeterminada potencia, normalmente, de 20 t/h de vapor en adelante

4.- Que no tengan cierres de estanqueidad de gran tamaño en la cámara de agua.

Ventajas:

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

Inconvenientes:

•

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

Calderas Acuotubulares, o de tubos de agua:

Por tener mayor seguridad, este tipo de caldera en general ha desplazado a lascalderas de humo excepto en casos especiales como los diseños de calderasunitarias pequeñas y las de calor de desecho para aplicaciones de presión media ybaja.



Se caracterizan porque la llama de los quemadores se forma dentro de un recintoformado por paredes tubulares en todo su entorno, que configuran la llamadacámara de combustión, pasando los humos generados por el interior de los pasossiguientes, cuyos sucesivos recintos están también formados por paredes

tubulares en su mayoría.

La cualidad que diferencia a estas calderas es, que todos los tubos que integransu cuerpo, están llenos de agua o, al menos, llenos de mezcla agua-vapor en lostubos hervidores, en los que se transforma parte de agua en vapor cuandogeneran vapor como fluido final de consumo.

Estas calderas pueden generar indistintamente, vapor, o agua sobrecalentada.

Cuando las calderas se destinan a la generación de agua sobrecalentada nodisponen de calderines, o la distribución de agua a los tubos de las paredes se

realiza por medio de colectores.

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

En las calderas acuotubulares la circulación del agua por su interior es forzadapor medio de las bombas de circulación. En las calderas de generación de vaporse regula el nivel medio de agua en el calderín superior, de forma que varíe dentrode una banda prevista, sirviendo la cámara superior de separador del vaporgenerado, desde donde sale al consumo por la tubuladura de salida.

Para la selección de compra de estas calderas acuotubulares, se deberá tener encuenta el estricto cumplimiento de las siguientes características esenciales:

1.- Que el cuerpo externo y los recintos interiores, salvo en sus caminos decirculación de los humos, sean completamente estancos, para que la combustiónse efectúe a sobrepresión (presurizada).

2.- Que el cuerpo sea completamente autoportante, es decir, que no se precisenestructuras adicionales para la estabilidad del cuerpo de caldera.

Ventajas:

• Pueden ser puestas en marcha rápidamente



• Trabajan a 300 o mas psi.

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

Calderas de Gran Presión:

Para algunas centrales de las llamadas "alta presión" se han construido calderas,en Estados Unidos, con una presión de trabajo de 84 Kg/cm2. Estas calderas sehan formado con tubos hervidores; paredes de agua y cuerpos cilíndricosgeneradores de vapor y no son adecuadas para presiones muy altas. En Europaprincipalmente, se han construido calderas especiales para trabajar a presionessuperiores, hasta la crítica del vapor. Todas estas calderas de gran presión secaracterizan por el uso de un calderín muy pequeño, separador de vapor o inclusosin calderín.

Los siguientes son, sin duda los mejores tipos de calderas de gran presión:

Caldera La-Mont:

Su característica sobresaliente es la circulación forzada a través de los tuboshervidores. El agua de la caldera pasa desde el tambor, que se colocaprácticamente fuera de la propia caldera, al tubo de aspiración de la bomba decirculación. Esta bomba vence los rozamientos a través de todo el circuito,incluyendo las pérdidas de carga en el distribuidor cuyos orificios distribuyen elagua de alimentación de alimentación de acuerdo con la absorción térmica, decada tubo. La presión que debe vencer la bomba es la del rozamiento del agua enel circuito, unas 2,5 atmósferas, lo que representa un 0,5% de la energíaproducida por la caldera.

Vamos a considerar ahora algunas de las ventajas de este tipo de caldera. Debidoa la gran velocidad de circulación, es evidente que se reduce la posibilidad deformar incrustaciones. Por la misma razón, la caldera puede ponerse en presiónen tiempo mucho menor; calentándose todas sus partes por un igual sin peligrode sobre tensiones de importancia. Pueden usarse diámetros menores de tubos ymayores longitudes de los mismos, consiguiendo mejor transmisión térmica y una

importante disminución del peso total de la caldera. Además siendo el porcentajede energía consumido por la bomba impulsora una parte pequeña de la producidapor la caldera, incluso a presiones muy elevadas, el funcionamiento resultaeconómico en toda la zona de presiones hasta llegar a la crítica.

Caldera Loeffler:

Esta caldera fue desarrollada primeramente por la Corporación Siderúrgica deVitkoviz, de Checoeslovaquia. Fue el resultado de los intentos para conseguir



mejor utilización del contenido térmico del vapor. Ella se llevó a cabo haciendoprácticamente posible generar y utilizar vapor a la presión, de 133 Kg/cm2 y a latemperatura de 482°C.

Posee un recalentador por radiación que envuelve al hogar; un recalentador por

convección sobre el hogar; un calderín situado en un punto conveniente fuera delhogar; una bomba de alimentación; un economizador; un calentador del aire. Seusa una bomba de circulación de vapor para extraerlo del calderín y lanzarlo através de los recalentadores de radiación y de convección, montados en serie,hasta una bifurcación en las tuberías tras la cual una parte del vapor, se destinaal consumo y el resto se devuelve al calderín D. El vapor recalentado que hapasado por la bifurcación y vuelve al calderín cede su recalentamiento y produceuna cantidad adicional de vapor saturado. El agua de alimentación es introducidapor la bomba, pasando previamente por el economizador y luego entra en la líneade vapor donde tiene lugar alguna evaporación; entonces, la mezcla de vapor yagua entra en el calderín por encima del nivel de agua del mismo. Tan sólo una

pequeña parte del vapor procedente del recalentador por convección pasa a lacorriente principal de vapor de consumo, volviendo el restante al calderón.

Vamos a discutir algunas de las ventajas de este tipo de caldera. Todo el vapor segenera en recipientes no expuestos directamente al calor del hogar, conteniendolos tubos sólo vapor denso y seco a una' presión aproximada de 133 Kg/cm2.Debido al gran consumo de vapor que se tendría con baja presión en la caldera,no es aconsejable el empleo de la caldera Loeffler a presiones inferiores a 105Kg/cm2. Se están haciendo ensayos para conseguir una, reducción en el consumode vapor de la bomba de circulación, a fin de hacer practicab1e el trabajo con unapresión de 50 Kg/cm2. El bajo peso específico (3,36 Kg/m3) hace económicamente

posible la circulación del vapor por bomba, y la velocidad de circulación es tal quepermite trabajar con escaso desnivel térmico entre el vapor y la pared metálica. Seconsiguen una velocidad de 19 m/seg y un coeficiente de transmisión de 180000Kcal por hora, m2 y °C, sin recalentar los tubos. La pureza del agua dealimentación es de importancia secundaria, pues no se presentan incrustacionesen los tubos, ya que todas las sustancias precipitables se depositan en el calderónfuera del hogar.

Caldera Ramsin:

En este modelo la corriente sólo circula una vez. Después de pasar a través del

economizador, el agua de alimentación asciende por varios circuitos espirales;paralelos en el hogar, usándose tubos de diámetro menor en el extremo inferiordel hogar, que los de la parte superior. Los tubos son dispuestos de tal maneraque forman una pantalla contra escorias delante del recalentador.

Debe usarse una severa regulación, porque la cantidad de agua almacenada esexigua y el peligro de requemar un tubo por quedar en seco es evidente. Las salespresentes en el agua de alimentación se depositan en la parte superior, del hogar y ésta es la zona de transición. Sólo pueden usarse soluciones ácidas diluidas



para eliminar los precipitados e incrustaciones. La caída de presión desde laentrada del economizador hasta la salida del recalentador se eleva a variasdecenas de kilogramos.

Caldera Schmidt-Hartmann:

Esta caldera tiene en realidad dos circuitos. Puede tener circulación natural oforzada, según lo requiera la presión de trabajo. El agua que sale del tamborsepara dar se mantiene separada del agua de alimentación y se hace circular denuevo. El agua de alimentación entra en los cuerpos cilíndricos principales de laparte superior y se vaporiza por el vapor producido en el primer circuito o circuitodel separador. Este vapor, a presión inferior a la del vapor primario, se recalientapor convección y se envía a las turbinas. De hecho, esta caldera es un evaporadorque usa vapor de un circuito para producir vapor en un segundo circuito.

En los modelos de mayor presión se emplean boquillas u orificios para repartir el

agua a los diversos tubos desde el calderín distribuidor. Se prevén ampliassuperficies para que la capacidad no quede demasiado afectada por la formaciónde incrustaciones en las paredes de los tubos.

Caldera Benson:

Fue fabricada por la Siemens-Schuckert y ha sufrido diversas modificaciones. Esla primera caldera proyectada para trabajar a la presión crítica (224 Kg/cm2) omuy cerca de ella y se caracteriza por la ausencia de tambores separadores. Esuna caldera vertical con hogar enfriado por agua, construido en forma helicoidal.El polvo de carbón, que es el combustible que se suele usar, se quema con dos

mecheros verticales invertidos. Los gases de la combustión descienden hasta elfondo del hogar, se dividen y ascienden atravesando un economizador deradiación y otras superficies absorbentes de calor hasta el calentador de aire. Unventilador de aspiración hace pasar los gases a través del calentador de aire y losdescarga en la chimenea. El aire primario y el secundario para la combustión sonsuministrados por un ventilador de tiro forzado. El agua de alimentación entrapor el fondo del hogar y pasa a través de un economizador caldeado por radiación.Luego pasa a la mitad superior de la cámara de combustión a través de la zona deradiación primaria, donde se calienta casi hasta, la temperatura crítica, abandonaesta zona de radiación y entra en la llamada zona de convección, situada en unaregión de baja temperatura de humos. Éstos se encuentran a 980°C al entrar en

la zona y salen de ella a 455°C. El agua de alimentación se ha convertido en vaporligeramente recalentado a 377 °C y este vapor pasa a la zona de radiaciónsecundaria del hogar, donde se prosigue el recalentamiento, que se termina en elrecalentador de alta presión situado en el extremo inferior del segundo paso. Si sedesea reca1entamiento intermedio en la máquina, puede instalarse un juego deserpentines recalentadores entre el recalentador final y la zona de convección.

Son evidentes algunas de las ventajas de este tipo. La caldera forma un todo quepuede colocarse en cualquier sitio, tiene una sola circulación y carece de



recipientes costosos. Necesita regulación, puesto que es de pequeño volumen deagua y responde con presteza al mando de la combustión. La regulación se basaen que siempre debe existir una, relación constante entre el carbón, el agua y elaire. A carga constante el operador varía la relación entre estos tres elementospara conseguir una temperatura constante.

Caldera Velox:

La caldera de vapor Velox es también de circulación forzada con varias novedadesinteresantes, y parece ser una de las aplicaciones de más éxito de la turbina degas. Un compresor, movido por turbina de gas, eleva la presión del aire decombustión hasta: 1,55 Kg/cm2. En el mismo árbol se montan las bombas decirculación y de combustible, y el motor. La cámara de combustión va forrada contubos verticales de unos 10 cm de diámetro que contienen agua. Cada uno deestos tubos contiene tres pequeños tubos de una pulgada (25,4 mm) de diámetroa través de los cuales circulan los gases de la combustión a velocidades cercanas

a los 250 m/seg; estos tubos interiores son la parte de superficie de calefaccióndonde se obtienen enormes cifras de absorción térmica. El calor radiante delhogar por otra parte caldea por fuera los grandes tubos de envoltura. Los gasessalen de la cámara de combustión a 1760°C y reducen su temperatura hasta los800°C al pasar a través de los pequeños tubos interiores; puesto que a estostubos siguen unos difusores, hay poca pérdida de presión. Los gases pasanentonces a los recalentadores donde su temperatura desciende a 480°C antes dealcanzar la turbina de gas. En ésta, la temperatura desciende hasta los 370°C y laturbina los 1anza al economizador a velocidades de unos 120 m/seg, descargandoel gas a unos 93°C.

La superficie de calefacción que rodea a la cámara de combustión va llenacompletamente de agua circulante, en cantidad de diez a veinte veces la de vaporque se genera. La mezcla de vapor y agua: se separa con ayuda; de un mecanismosemejante a un ciclón o separador centrífugo, pasando el vapor a un recalentador y descendiendo el agua a una cámara inferior que actúa como depósito de aguacaliente. En el fondo de este depósito se acumulan los lodos y de allí pueden serexpulsados. El contenido de humedad del vapor al abandonar el separadorcentrífugo no debe exceder de 2%. Se asegura que a esta caldera no le afecta elagua dura, porque las substancias incrustantes permanecen en solución.

Caldera Steamotive:

Aun cuando en principio fue proyectada sólo para locomotoras, halló aplicaciónen el campo de las pequeñas calderas fijas, cuando el espacio ocupado eraesencial. Desde los mecheros pasan la llama a los gases horizontalmente a travésde un hogar totalmente refrigerado por agua, luego suben y retroceden 180grados para entrar al recalentador, alrededor del separador y pasar a través deleconomizador y del calentador de aire. El aire necesario para la combustión sesuministra a presión suficiente para que pasen él y los gases de la combustiónpor todo el circuito, no usándose aspirador alguno.



El agua de alimentación, al salir del economizador, se divide en cinco circuitos,los del fondo, paredes y cielo del hogar, y dos serpentines en el tabique deseparación de hogar y caldera. Todo el vapor se genera en el hogar, y la mezcla devapor y agua pasa al separador. El agua sobrante del evaporador pasa a un

recuperador, luego a un pozo de condensación, donde se mezcla con elcondensado, y finalmente pasa a alimentar la caldera. El vapor se recalienta, conregulación de la temperatura, y se envía a la turbina. No hace falta una vigilanciaestricta, porque en el separador hay reservas de agua. Se usa una bomba, deémbolo para la alimentación con el impulsor de aire montado sobre el mismoárbol.

Conclusión:

Según la combinación de los distintos componentes: Hervidores, Hogares,Quemadores, Ventiladores y Controles los fabricantes de Calderas han creado una

variedad muy amplia de Generadoras de Vapor para rangos de presión deoperación bajos, medios y altos.

Resulta difícil hacer una clasificación que abarque la totalidad de las Calderasexistentes puesto que la variedad es extensa, además de lo dicho en esta partetambién pueden clasificarse según el combustible que utilice (sólido, líquido,gaseoso, mixto), según el modo de transferencia de calor predominante (Radiante,por convección, o por conducción), según el origen de la energía térmica (CalderasNucleares, Calderas de Combustión), según el hervidor (Caldera con Domo otambor [Drum Type Boiler] y Caldera de un solo paso [Once-Through Boiler]),entre otros criterios.

PARTE II - FLUJO NATURAL Y FORZADO:

Circulación del agua dentro de la Caldera:

Se requiere una circulación adecuada en la sección de generación de vapor deuna caldera, para evitar el sobrecalentamiento de las superficies absorbentes delcalor, y puede lograrse en forma natural por las fuerzas gravitacionales,mecánicamente por medio de bombas, o por una combinación de los dos métodos.

Bien sea que la circulación se logre de forma natural o forzada, es esencial que

siempre se mantengan mojadas las superficies interiores con agua de la mezclabifásica vapor-agua, esto evitará el mencionado sobrecalentamiento de lassuperficies absorbentes del calor.

Las calderas de domo, independientemente del tipo de circulación, trabajan contemperaturas que son esencialmente las del vapor saturado en todas las partes delas secciones generadoras de vapor.



Flujo Natural:

El Flujo natural se produce por la diferencia en las densidades del agua en lostubos descendentes no calentados y la mezcla de vapor y agua en los tubos

calentados, del generador de vapor.

Este diferencial de densidad proporciona una gran fuerza de circulación. Lostubos de bajada y los circuitos calentados se diseñan de tal manera que lafricción, o la resistencia al flujo, a través del sistema, equilibra la fuerza decirculación en el flujo circulante total deseado.

Fig.2.6 – Esquema de Caldera de Circulación Natural

Flujo Forzado:

Las calderas del tipo de recirculación o circulación forzada, utiliza domo de vaporsimilar al que s emplea en las calderas de circulación natural. El suministro de

agua a las paredes del hogar y a las superficies de la caldera fluye de este domo auna bomba de circulación la cual suministra la presión necesaria para forzar elagua por los circuitos de la mezcla agua vapor y de regreso al domo, donde seseparan el vapor y el agua. La cantidad de agua bombeada por lo común es de 4 a6 veces la cantidad de vapor generado.

La bomba de recirculación produce una presión diferencial de 30-40 psi (2,1 – 2,8Kg/cm2) y la potencia necesaria equivale a cerca del 0,5% de la entrada de calor ala caldera. Se necesitan orificios de restricción a la entrada de cada tubo ocircuito, para controlar la distribución de flujo.

En los diseños de circulación forzada, las velocidades o flujos son independientesde la capacidad nominal de la caldera, con lo cual se facilita el uso de una tuberíacomún de conexión de tamaño menor y, en algunos casos, un tubo especial demenor diámetro en la pared del hogar que el que se emplea en las unidades decirculación natural.



Fig.2.7 – Esquema de Caldera de Flujo Forzado

En calderas de flujo forzado y de paso único, el agua que proviene del suministropara el sistema se bombea hacia la admisión de los circuitos de absorción decalor. La evaporación o cambio de estado se efectúa a lo largo de toda la extensióndel circuito y cuando la evaporación se completa el vapor se sobrecalienta, Estasunidades no requieren de domos de vapor o de agua, y en la mayoría de los casosse usan tubos con diámetros relativamente pequeños. Éstas calderas puedenarrancarse rápidamente debido a la ausencia del domo y a la cantidad reducida

del metal.

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

Flujo Combinado:

Las unidades de circulación combinada, utilizan flujo forzado de paso único conrecirculación de flujo en las paredes del hogar para suministrar velocidadessatisfactorias del agua durante las operaciones de arranque y baja carga.

En este diseño parte del agua a la salida de los circuitos del hogar, se mezcla conel agua de alimentación que entra, fluye hacia una bomba de circulación, pasapor esta y a continuación pasa a los cabezales de admisión de las paredes delhogar.

El uso de la circulación combinada, aumenta la velocidad del agua en los tubosdel hogar a bajas cargas, y puesto que no se aplica recirculación en cargas másaltas no hay incremento en la velocidad ni en la resistencia al flujo con esascargas más elevadas.



PARTE III – COMPONENTES PRINCIPALES DE UN GENERADOR DE VAPOR:

A continuación se definirán los componentes más importantes que pueden serencontrados en un generador de vapor acuotubular o pirotubular, de más de unpaso:

Domo ó Hervidor:

Este componente es también llamado Caldera, es un recipiente metálico diseñadocon las condiciones de presión a las que debe trabajar el generador de vapor.

La función básica del domo es la de separar el vapor de la mezcla vapor-agua ymantener el vapor seco.

En las unidades que no tienen economizador, es en el domo donde se dispone elagua previamente tratada y desde ahí se distribuye por todos los tubos del

circuito bien sea por medio de flujo natural o por flujo forzado. En las unidadescon economizador, el agua es precalentada en el economizador antes de serllevado al domo.

Aquellas unidades denominadas “de un solo paso” carecen de domo.

Hogar:

Un hogar es una cámara donde se efectúa la combustión. La cámara confina losproductos de la combustión y debe resistir las altas temperaturas que sepresentan y las presiones que se utilizan.

Sus dimensiones y geometría se adaptan a la velocidad de liberación de calor, altipo de combustible y al método de combustión, de tal manera que se haga loposible por tener una combustión completa y se proporcione un medio apropiadopara eliminar las cenizas.

Los hogares enfriados por agua, se utilizan en la mayor parte de las unidades decaldera y para todos los tipos de combustibles y métodos de combustión. Elenfriamiento por agua de las paredes del hogar reduce la transferencia de calorhacia los elementos estructurales y como consecuencia puede limitarse sutemperatura a la que satisfará los requisitos de resistencia mecánica y resistencia

a la corrosión.

Las construcciones de tubos enfriados por agua, facilitan el logro de grandesdimensiones del hogar, y óptimas de techos, tolvas, arcos y montajes de losquemadores, así como el uso de pantallas tubulares, planchas o paredesdivisorias para aumentar la superficie absorbente del calor en la zona decombustión. También reducen las pérdidas del calor al exterior.

Las superficies absorbentes de calor en el hogar, lo reciben de los productos de



combustión y en consecuencia contribuyen directamente a la generación devapor, bajando al mismo tiempo la temperatura de los gases que salen del mismo.

Los principales mecanismos de transferencia de calor se efectúan de formasimultánea, estos mecanismos incluyen la radiación entre sólidos, que proviene

del lecho de combustible, o de las partículas de combustible, la radiación noluminosa de los productos de la combustión, la transferencia de calor porconvección de los gases del hogar, y la conducción de calor a través de losmateriales metálicos de los depósitos y tubos. La eficacia de la absorción de lasuperficie del hogar es influida por los depósitos de cenizas o de escoria.

Las temperaturas del gas de salida del hogar, varían considerablemente cuandose quema carbón, debido al efecto de aislamiento de los depósitos de ceniza yescoria sobre las superficies de absorción de calor. La cantidad de superficie es elfactor más importante en la absorción global de calor en el hogar y por tanto elcalor liberado y disponible para absorción por hora y por pie cuadrado de área

absorbente efectiva es una base satisfactoria para establecer una correlación.

El calor liberado y disponible para la absorción es la suma del contenido caloríficodel combustible quemado, y el calor sensible del aire de combustión, menos lasuma del calor no disponible debido a la parte del combustible que no seconsumió y el calor latente del vapor formado por la humedad en el combustible yla combustión del hidrógeno.

Las paredes del hogar deben estar soportadas de forma adecuada tomando encuenta la expansión térmica con montantes de refuerzos para resistir las fuerzaslaterales causadas por la diferencia entre la presión del hogar y la de la atmósfera

que lo rodea. La cubierta del hogar debe evitar la infiltración del aire, cuando seopera con succión y debe evitar la fuga de gas, cuando se opera a presiones másaltas que la atmosférica.

Sobrecalentador y Recalentador:

La adición de calor al vapor después de la evaporación o el cambio de estado,viene por un aumento en la temperatura y la entalpía del fluido. El calor se agregaal vapor en componentes de la caldera llamados sobrecalentadotes yrecalentadores, los cuales se componen de elementos tubulares expuestos a losproductos gaseosos a alta temperatura de la combustión.

Las ventajas del sobrecalentamiento y recalentamiento en la generación depotencia son resultado de la ganancia termodinámica en el Ciclo de Ranking y dela reducción de las pérdidas de calor debidas a la humedad en las etapas de bajade presión en la turbina. Con presiones y temperaturas altas del vapor se disponede más energía útil, pero los avances hacia temperaturas altas del vapor amenudo son restringidos por la resistencia mecánica y la oxidación del acero y delas aleaciones ferrosas con los que se cuenta en la actualidad y soneconómicamente prácticos para su uso en la parte a presión de las calderas y en



las construcciones de alabes de las turbinas.

El término “sobrecalentado” se aplica al vapor de más alta presión y el de“recalentado” se refiere al vapor de presión más baja que ha liberado parte de suenergía durante la expansión en la turbina de alta presión. Con presión de vapor

inicial alta pueden emplearse una o más etapas de recalentamientos con el fin demejorar la eficiencia térmica. Se clasifican en dos grandes grupos: Radiantes o deConvección.

Sobrecalentadores Radiantes:

Por lo general se disponen para expansión directa a los gases del hogar y, enalgunos diseños, forman parte de la cubierta de éste. En otros diseños, lasuperficie se dispone en forma de espiras tubulares o planchas, con amplioespaciamiento lateral extendiéndose hacia el hogar. Esta superficie se expone alos gases a alta temperatura del hogar que se mueve a velocidades relativamente

bajas, así que la transferencia de calor se hace por radiación.

Sobrecalentadores de Convección:

Se instalan más allá de la salida del hogar, donde la temperatura del gas son másbajas que las de las zonas en las que se usan los sobrecalentadores de tiporadiante. Por lo común, los tubos se disponen en la forma de elementos paralelos,con poco espaciamiento lateral y en bancos de tubos que se extienden parcial ocompletamente a través de la corriente de gas, con el gas fluyendo a través de losespacios relativamente angostos entre los tubos. Se obtienen gastos elevados degas y en consecuencia velocidades altas de transferencia de calor por convección

a expensas de la caída de presión de gas a través del banco de tubos.

Spray Atemperador:

Los atemperadores, también conocidos como desobrecalentadores, son boquillasatomizadotas en los tubos de la caldera entre los sobrecalentadores.

Estas boquillas atomizadotas suministran un fina niebla de agua pura en elcamino del flujo del vapor para prevenir el daño del tubo por sobrecalentamiento.

Los Atemperadores son provistos tanto para los sobrecalentadores como para los

recalentadores.

Economizador:

Los economizadores eliminan el calor de los gases de combustión contemperaturas moderadamente bajas, después de que salen de las secciones degeneración de vapor y del sobrecalentamiento y/o recalentamiento.

Los economizadores son en realidad calentadores de agua de alimentación que las



reciben de las bombas de alimentación y la descargan a una temperatura másalta al generador de vapor. Los economizadores se usan en lugar de incrementarla superficie generadora de vapor, ya que el agua de alimentación y enconsecuencia la superficie que recibe calor están a temperatura más bajas que lasdel vapor saturado, por tanto los gases pueden enfriarse hasta temperaturas aún

más bajas para lograr mayor recuperación de calor y mejorar la economía.

Se clasifican como de los tipos de tubos horizontales y verticales, de acuerdo conla disposición geométrica; de flujo longitudinal o cruzado según la dirección delgas con respecto a los tubos; de flujos en paralelo o de contra-flujo, según ladirección relativa del flujo de gas y de agua; como generadores o no generadoresde vapor, según el rendimiento térmico; como de tubos continuos o como tubosen U, según los detalles de diseño; y como de tubos desnudos o con superficiesextendidas, según el tipo de superficie absorbente del calor.

Precalentadores de Aire:

Los precalentadores de aire al igual que los economizadores extraen calor de losgases de combustión con temperaturas relativamente bajas. La temperatura delaire de entrada es menor que la del agua que entra al economizador y por tanto esposible reducir aún más la temperatura de los productos gaseosos de lacombustión, antes de que se descarguen en las chimeneas.

El calor que se recupera de los gases de la combustión se recicla al hogar juntocon el aire de combustión y cuando se agrega a la energía térmica liberada por elcombustible, se convierte en energía disponible para la absorción en la unidadgeneradora de vapor, con una ganancia en la eficiencia térmica global. El uso de

aire precalentado para la combustión acelera la ignición y fomenta unacombustión rápida y completa del combustible.

Los calentadores de aire se clasifican en general como: Recuperativos oGenerativos. En ambos se usa la transferencia por convección del calor, de lacorriente del gas a un metal o una superficie sólida y la transferencia porconvección de esta superficie al aire.

Recuperativos: En éstos, las partes metálicas estacionarias forman una fronterade separación entre los fluidos, el que se calienta y el que se enfría, y el calor pasapor conducción a través de la pared metálica.

Regenerativos: Hay dos tipos básicos, en el primer tipo, los elementos detransferencia de calor se mueven alternadamente a través de las corrientes de gas y aire que pasan por ciclos sucesivos de calentamiento y enfriamiento, y recibenla transferencia de calor por la capacidad de almacenamiento térmico de loselementos. En el otro tipo de precalentador regenerativo, tiene elementosestacionarios y el flujo alterno del gas y del aire se controla al hacer girar lasconexiones de entrada y salida.

- Fin del Tema 2 -

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2 Calderas