Ingeniería Mecánica

Generadores de VaporCALDERAS

• El uso de vapor provee una forma ideal para entregar la cantidad correcta de energía calorífica en el punto donde sea requerida o usada para ayudar a la manufactura de un producto o para proveer un medio ambiente aceptable.

• Los generadores de vapor están diseñados para producir el vapor para los requerimientos del proceso. El objetivo es tener un generador confiable, eficiente y al más bajo costo.

Introducción

Introducción

• Uno de los equipos que están presentes en casi todos los procesos industriales son los generadores de vapor o calderas y es un componente mecánico de suma importancia en los procesos químicos.

• El vapor pertenece al área de servicios auxiliares, junto con el aire comprimido, el agua y la electricidad.

Generadores de vapor• En el mercado industrial, los

generadores de vapor han sido diseñados para quemar un amplio tipo de combustibles, para operar a presiones por arriba de 12.4 Mpa (1800 psia) y generar vapor a tasas de hasta de 455,000 kg/h (1,000,000 lb/h).

• Donde el vapor es generado como una fuente de energía para turbinas o maquinaria, la presión de la caldera es alta y el vapor generalmente es sobrecalentado.

Generadores de vapor

• En otros casos, donde el vapor es requerido para proceso o únicamente para calentamiento, se emplea una caldera en paquete o una caldera de paso simple de tubos de agua.

Terminología

• Shell boiler (caldera de coraza).– En este tipo de caldera los

productos de la combustión o gases calientes pasan a través de series de tubos rodeados por agua. Todo dentro de una coraza externa.

Terminología

• Watertube boiler (Caldera de tubos de agua)– En una caldera de tubos de

agua, el agua circula a través de tubos de diámetro pequeño construidos en grupos o bancos de tubos y conectados a tambores (colectores de vapor) o cabezales. La superficie externa de los tubos está expuesta a los productos de combustión o gases calientes.

Terminología

• Dryback boiler (Caldera de retorno seco):– Es una caldera de coraza

horizontal en donde la cámara de retorno del tubo de combustión a el primer paso de los tubos está externo a el plato posterior de tubos y esta formado por una cámara de acero revestida de material refractario.

Terminología• Wetback boiler

(Caldera de retorno húmedo):– Es una caldera de

coraza horizontal en donde la cámara de retorno del tubo de combustión a el primer paso de los tubos esta integrada junto con la coraza y está rodeada por agua.

Terminología

• Economic boiler (Caldera económica):– Este es un término que aplica

a las calderas construidas con una coraza de dos o tres pasos. Originalmente fueron calderas de retorno seco y posteriormente de retorno húmedo; estas calderas sustituyeron a las de ladrillo, las cuales eras las más económicas.

Terminología

• Packaged boiler (Caldera en paquete):– Una caldera en paquete,

es un concepto de un generador de vapor completamente construido y ensamblado con sus dispositivos de combustión, bombas de alimentación de agua y controles, válvulas, marco de base y el aislamiento.

Terminología

• Evaporation (Evaporación):– Esta es la cantidad de vapor producida por una

caldera a una presión y temperatura. Puede ser denotada como la evaporación actual o evaporación de y a 100°C. La evaporación actual es la cantidad de vapor que pasa a través de la válvula de corona de la caldera. La evaporación de y a 100°C es una cifra tomada para propósitos de diseño y está basada en la evaporación actual por libra de combustible multiplicada por el factor de evaporación.

Terminología

• Factor of evaporation (Factor de evaporación):– Esta es una cifra obtenida dividiendo el calor total del vapor a las

condiciones de trabajo por el calor latente del vapor a condiciones atmosféricas (pej. 2256 kJ/kg). Esto es:

Donde:FOE = Factor de evaporaciónH = Calor total de 1 kg de vapor a la presión de trabajo, a más de 0°C tomadas de las tablas de vapor en kJ/kgT = Calor en el agua de alimentación (kJ/kg)2256 = Calor latente del vapor a condiciones atmosféricas.

2256TH

FOE

Terminología

• Availability (Disponibilidad):– El periodo de tiempo que una caldera se espera o

requiera operar antes de que sea apagada para limpieza o mantenimiento. Este tiempo puede variar con el tipo de caldera, el combustible empleado y la carga operativa del equipo.

Terminología

• Priming (Llegada de agua con vapor en el cilindro).– Esto es cuando la superficie de agua en la coraza de la

caldera llega a ser inestable. Una evaporación vigorosa puede ocurrir en esta causando que la caldera baje su nivel de agua y el circuito de seguridad se active y posiblemente apague la caldera. Existen dos posibles causas. La primera podría ser un control incorrecto del tratamiento de agua. Esto puede ser resultado de excesivos niveles de sólidos en suspensión en el agua de la caldera, materia orgánica o agua con alta alcalinidad.

Terminología

• Priming (cont…)– La segunda puede ser mecánica, si la caldera está

operando por debajo de su presión de diseño puede causar un incremento de la velocidad de flujo del vapor que deja la superficie del agua provocando un descenso en el nivel de agua. Es importante por esta razón dar una importante consideración a la carga de vapor requerida de la caldera.

Terminología

• Thermal storage (Almacenamiento térmico):– El almacenamiento térmico es un método de

suministro de carga de vapor en exceso del máximo continuo proporcionado por la caldera por periodos cortos. El diámetro de la coraza es incrementado para proveer una altura de agua mayor que la normal debajo de la línea superior de la superficie de calentamiento, al nivel de agua normal de operación. Cuando un exceso de carga es impuesta en la caldera, permite el agua extra sea evaporada instantáneamente (flash), mientras se baja la presión de trabajo en la caldera.

Terminología

• Thermal storage (Cont…):– Controles de seguridad de nivel protegen a la

caldera contra un excesivo flujo de vapor.– Como la carga decrece, la caldera mantiene su

máxima carga del quemador y permite que agua extra regrese al nivel normal de operación y a la alta presión de trabajo restablecida.

Terminología• Accumulator (Acumulador):

– Este puede ser como una caldera sin combustión. El vapor es generado en las calderas a una presión más alta que la requerida en el proceso y es suministrada al proceso por medio de válvulas reductoras de presión. Este vapor de alta presión es también suministrado al acumulador, donde este calienta y presuriza el agua. Cuando ocurre una carga de vapor en exceso de la caldera a su máxima capacidad del quemador; parte del vapor puede ser suministrado del acumulador hasta que la carga pueda ser alcanzada por la caldera. Cuando la carga en exceso cesa, el acumulador se recargará de las calderas. Este sistema permite a las calderas ser instaladas con las especificaciones a alcanzar en la carga promedio, en tanto los picos de consumo de vapor serán alcanzados por el acumulador.

Terminología

• Cavitation (cavitación):– Esta es una condición la cual ocurre cuando la bomba de

alimentación de agua está imposibilitada para entregar agua de alimentación a la caldera, aunque en los tanques de alimentación tengan nivel de agua disponible. La temperatura del agua de alimentación junto con el posible efecto de succión de la bomba de alimentación de agua en la línea entre el tanque de alimentación y la bomba tenga una caída de presión, causando que el agua de alimentación se vaporice. La bomba entonces pierde el suministro de agua.

– En muchos casos, esta condición puede ser evitada por el suministro de una cantidad suficiente de calor al agua y el dimensionamiento de la tubería de alimentación de agua. La limpieza en los filtros también debe ser realizada.

Tipos de calderas• Cast iron sectional boilers

(Calderas de hierro colado).– Estas son usadas para agua

caliente con una presión de operación de máximo 5 Bar y una potencia máxima de 1500 kW. Requieren ensamblado en el sitio y consiste en un banco de secciones de hierro colado. Cada sección tiene partes internas por donde circula el agua.

Tipos de calderas

• Steel boiler (Caldera de acero)– Estas tienen características

de servicio similares a las de hierro colado. Su construcción es de cabezales de acero rolado por la presión en el recipiente. Pueden tener configuraciones en posición vertical u horizontal.

Tipos de calderas

• Electrode boiler (Caldera de electrodos)– Este tipo de generador de

vapor, emplea altos voltajes por medio de un electrodo y hace hervir el agua.

– Ver las ventajas de este tipo con respecto a los generadores convencionales.

Actividad 1

• Lea la información proporcionada sobre las calderas de electrodos y prepare un cuadro comparativo sobre los generadores con quemadores de combustible.

Tipos de calderas

• Steam generators (Generadores de vapor)– Dispositivos mecánicos

diseñados para generar vapor de baja presión (vapor saturado) por medio de la combustión de algún combustible fósil.

Tipos de calderas

• Vertical shell boilers (Caldera de coraza vertical)– Generador de vapor

con una disposición de los tubos de forma vertical.

Tipos de calderas

• Horizontal shell boiler (Calderas de tubos horizontales)– Generador de vapor con una

disposición de los tubos horizontalmente.

Tipos de caldera

• Watertube boilers (Caldera de tubos de agua)

Tipos de calderas

Tipos de caldera

Actividad

• Realice un mapa conceptual sobre las calderas.

• Elabore 3 preguntas sobre el tema con su respectiva respuesta.

Diseño de calderas

• El diseño de calderas involucra la interacción de muchas variables:– Circulación del agua y vapor.– Características del combustible.– Sistema del quemador y suministro de calor.– Transferencia de calor.

• El hogar de la caldera es el componente más critico del generador de vapor y tiene que ser diseñado para asegurar alta disponibilidad del generador.

Transferencia de calor y circulación• Circulación:– Aplicado a un generador de vapor, es el movimiento de

agua o mezcla de vapor a través de los tubos calientes.– Su objetivo es absorber calor del tubo metálico en

cantidades determinadas que asegure suficiente enfriamiento de la pared del tubo al hogar durante las condiciones de operación y variaciones inesperadas.

– Una circulación adecuada previene temperaturas excesivas en el metal o diferenciales de temperatura que podrían causar fallas por sobre-esfuerzo, sobrecalentamiento o corrosión.

Transferencia de calor y circulación

Circulación en las calderas

• Puede ser natural y de circulación forzada– Natural: La circulación depende sólo de la

diferencia entre las densidades del agua en las bajantes y la densidad de la mezcla vapor-agua en las paredes del hogar.

– Circulación forzada: El circuito es auxiliado por la operación de una bomba para hacer circular el fluido (agua) dentro del generador.

Circulación en las calderas

Características del combustible

• La elección del combustible tiene el mayor impacto en el diseño y dimensionamiento de una caldera. A causa de que la resistencia a la transferencia de calor que presenta los depósitos de ceniza en la cámara de combustión (hogar) en una caldera de carbón, el flujo de calor absorbido es menor en un generador de gas o aceite combustible, por lo que es necesaria un área mayor.

Sobre-calentadores y recalentadores

• Un sobre-calentador sube la temperatura del vapor a un nivel mayor que la de saturación. Una de sus funciones principales es minimizar la humedad en las últimas etapas de una turbina para evitar la erosión en las hojas de las misma; sin embargo se llega a un punto donde la temperatura de sobrecalentamiento es insuficiente para prevenir humedad en las etapas de baja presión de una turbina.

• Esta condición es solucionada removiendo el vapor por recalentamiento a presión constante en al caldera y retornando a la turbina para una expansión continua hasta la presión de condensación.

• El ciclo termodinámico que emplea esta modificación del ciclo Rankine es llamado Ciclo de recalentamiento.

Sobre-calentadores y recalentadores

Economizadores

• Los economizadores incrementan la eficiencia del generador, extrayendo calor de la descarga de los gases de combustión y transfiriéndolo al agua de alimentación, la cual entra a la caldera a una temperatura más baja que la temperatura de saturación del vapor.

Economizadores

Calderas en paquete tubos de humo y agua

• Las calderas de tubos de humo en paquete , tienen especificaciones de capacidad de evaporación de algunos miles hasta 19,000 kg/h en las configuraciones pequeñas; pero que pueden llegar hasta 270,000 kg/h en otras más grandes.

• Las calderas de tubos de agua, generalmente están diseñadas para circulación natural.

• La ventaja que tienen las configuraciones en paquete es el costo – beneficio al emplear partes con diseños estándar.

Calderas en paquete tubos de humo y agua

Calderas en paquete tubos de humo y agua

Calderas en paquete tubos de humo y agua

Componentes de una caldera

Componentes de una caldera

Actividad

• En equipos de 5 personas investigar lo siguiente y preparar un informe.1. Sistema de tratamiento de agua para calderas.

(Suavizadores y desmineralización)2. Productos químicos para acondicionamiento de agua para

calderas (niveles de operación).3. Descripción de los deareadores (función y operación).4. Descripción de recalentadores (función y operación)5. Mantenimiento y reparación de las calderas.

• Elabore un cuestionario de 10 preguntas con sus respuestas.