Calderas de Vapor

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CCAALLDDEERRAASS PPAARRAA GGEENNEERRAACCIIOONN DDEE VVAAPPOORR AAPPRROOVVEECCHHAAMMIIEENNTTOO DDEELL VVAAPPOORR DDEE AAGGUUAA

La energa contenida en el vapor de agua se utiliza en las plantas qumicas para calefaccin, para producir energa elctrica o para ambas cosas. En las plantas de pequeas dimensiones, la energa elctrica normalmente se compra directamente de la red elctrica; las necesidades calorficas se cubren entonces con el empleo de vapor de agua obtenido en una caldera adecuada a las necesidades de la fbrica.

Si las necesidades de electricidad y vapor en la fbrica son elevadas, se puede pensar en la obtencin de energa elctrica como producto principal y como secundario la produccin de vapor. El sistema de aprovechamiento mecnico para producir electricidad de la energa del vapor de alta presin consiste en mover una turbina, que a su vez mueve un generador elctrico. Para calefaccin se utiliza, generalmente, vapor de mediana o baja presin, (obtenido directamente, o procedente del escape de las turbinas) pues, en la calefaccin, el calor que principalmente acta es el calor latente de vaporizacin, y ste disminuye al aumentar la presin (o temperatura) del vapor saturado. La Figura 1 representa, esquemticamente, una instalacin para la produccin de electricidad y de vapor para calefaccin en una fbrica qumica. Las instalaciones para generar electricidad y vapor de calefaccin, no todas tienen, necesariamente, esta misma configuracin

Figura 1

CCAALLDDEERRAASS DDEE VVAAPPOORR. Son los aparatos utilizados en una planta para producir vapor, calentando el agua lquida. En la Figura 2 est representada, muy esquemticamente, una instalacin muy sencilla para producir vapor saturado, quemando un combustible slido. Consta de un hogar donde se quema el combustible producindose calor que se transmite al agua contenida en la caldera o hervidor. Los humos, despus de calentar la caldera, pasan a la chimenea a travs de los conductos de humos, cuya circulacin est regulada por un cortafuego.


Las calderas de vapor se pueden clasificar segn muy distintos criterios. Una clasificacin muy corriente es segn la situacin del hogar respecto a la caldera propiamente dicha:

Cilndricas Calderas de hogar interior Tubulares Verticales Sencillas Cilndricas Con hervidores Humotubulares Calderas de hogar exterior Acuotubulares Con circulacin forzada de agua

Figura 2

En la Figura 3 se representan esquemticamente los tipos citados que ms interesan aqu. CCAAMMPPOOSS DDEE AAPPLLIICCAACCIINN DDEE LLOOSS DDIISSTTIINNTTOOSS TTIIPPOOSS DDEE CCAALLDDEERRAASS

Las calderas de hogar exterior y tipo cilndrico se emplean muy poco, ya que ocupan un gran espacio y son de escaso rendimiento.

Para pequeas producciones de vapor, o sea, cuando la superficie de calefaccin necesaria es chica (hasta unos 25 m2), son muy recomendables las calderas de tipo vertical; su instalacin es sencilla y poco costosa.

Las de hogar interior, tipo cilndrico, con tubos de humo o sin ellos, dan buen rendimiento y permiten trabajar hasta con unos 100 m2 de superficie de calefaccin. El tipo de mayor extensin es la multitubular. Son de gran rendimiento. La gran superficie de calefaccin que le dan los tubos, as como la buena circulacin del agua, permiten una elevada velocidad de transmisin del calor, por lo que pronto se consigue con ellas la presin de rgimen. Estas ventajas son an ms acusadas en las de circulacin forzada, en las que los coeficientes de transmisin son ptimos.

Por su estructura son stas las que casi exclusivamente se emplean para altas presiones.

Las calderas que trabajan con gran masa de agua son, en general, lentas para alcanzar su presin de rgimen. En cambio, precisamente porque esa gran masa de agua acta como volante regulador, permiten una gran elasticidad de


consumo, sin que se produzcan alteraciones. De aqu la importancia que an tienen en muchas fbricas qumicas algunos tipos de caldera de hogar interior, a pesar de sus desventajas en otros aspectos.

(a) Caldera de hog(b) De hogar exteri(c) Caldera acuotu(d) De hogar interio(e) De hogar interio(f) De hogar interio(g) De circulacin f

OOttrrooss eelleemmeennttooss ddee llaass iinnssttaallaumentar el rendimiento de las instalacposible el calor contenido en los humrendimiento ha de mejorar si se precalos intercambiadores de calor que tomastos en la chimenea, y lo cedeneconomizadores. Son, generalmente, ideal sera que del economizador salierebullicin, y que todo el calor que s

INSTITUTO POLITECNICO SUPERIOR Figura 3 ar exterior, con hervidor. or, humotubular. bular. r, excntrico r, humotubular. r y vertical orzada de agua

aacciioonneess ggeenneerraaddoorraass ddee vvaappoorr:: para iones de vapor se procura aprovechar todo lo

os de la combustin. Es evidente que el lienta el agua de alimentacin de la caldera; n calor de los humos, antes de la entrada de

al agua de alimentacin, se denominan acuotubulares (por donde circula el agua). Lo a el agua para la caldera a la temperatura de e absorbe en la caldera fuera invertido en

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vaporizar. Tambin se puede recuperar una cierta porcin del calor contenido en los humos (ya pasada la caldera y antes de llegar stos a la chimenea) para calentar el aire utilizado en la combustin. La temperatura del hogar ser entonces ms elevada y, al ser mayor el t de la transmisin, se transfiere mayor cantidad de calor por unidad de tiempo y por unidad de rea. Los precalentadores del aire tienen gran campo de aplicacin en los hogares alimentados con fluidos (combustibles lquidos o gaseosos), en cuyo caso tambin se puede precalentar el propio combustible.

Otro elemento muy corriente en las instalaciones de vapor es el recalentador. En la Figura 3 - c, se representa un recalentador adosado a la caldera. Son los propios humos del hogar los que recalientan el vapor de agua producido en la caldera. Hay veces que el recalentador se instala en hogar independiente, bien porque el hogar de la caldera no permita su instalacin conjunta, o porque la temperatura del vapor recalentado que se necesita no se pueda alcanzar en el rgimen normal del hogar principal, o porque se precise una gran variacin del grado de recalentamiento, de unos momentos a otros.

Para poder almacenar vapor en momentos en que las necesidades del mismo son menores, se disponen los llamados acumuladores de vapor. Los hay de tipo gasomtrico, en los que el vapor sobrante se almacena como un gas, en un gasmetro; pero el tipo ms general es el de borboteo, cuyo fundamento viene a ser el mismo que el del calormetro de condensacin: el vapor sobrante en cada momento en el generador se enva a un depsito muy parecido tambin a una caldera, bien aislado trmicamente, que est cargado con agua; al condensarse el vapor se calienta el agua. Para asegurar la uniformidad de temperatura en el acumulador se adoptan disposiciones especiales de mezcla, cual es la descarga de vapor en el agua, a travs de eyectores.

En la Figura 4 puede verse un esquema de instalacin para la produccin de energa y calor en una fbrica qumica: 1 es la caldera, cuyo vapor se recalienta en 2 hasta la presin requerida por la turbina, 3, que acciona el generador de electricidad, 4. El vapor de escape (de baja presin) se extrae por B para necesidades de calefaccin; el de alta presin y recalentado se extrae por A. El vapor de baja presin no utilizado

para calefaccin de aparatos, pasa al condensador 5, y el agua lquida que ste produce la enva la bomba 6 a la caldera, a travs del economizador, 7. Cuando eventualmente disminuyen las necesidades de vapor en A y en 3, el aumento de presin en la lnea acta sobre los controladores r1 y r2, los cuales abren y cierran, respectivamente, las vlvulas a y b del acumulador 8; si un gran consumo de vapor disminuye la presin de la lnea, los controladores actan en sentido contrario y el acumulador suministra vapor, complementando la pro

Figura 4

duccin de la caldera. CCaarraacctteerrssttiiccaass ddee uunnaa iinnssttaallaacciinn ddee vvaappoorriizzaacciinn:: una instalacin de


generacin de vapor se define por su rendimiento calorfico, que se expresa por la siguiente relacin:

ecombustiblelporcedidocalorninstalacilaenperdidocalorecombustiblelporcedidocalor =

El calor cedido por el combustible es fcil de evaluar, si se conoce el poder calorfico del mismo (poder calorfico inferior). Las prdidas de calor se producen: 1) Por el calor que llevan los humos. 2) Por prdidas por radiacin y conduccin. 3) En el hogar:

a) Por la fraccin de combustible no quemado que cae al cenicero; b) Por el polvo de combustible no quemado arrastrado por los humos; c) Por los gases combustibles que acompaan a los humos (hidrocarburos, CO); d) Por el calor sensible de las cenizas.

Es difcil poder evaluar con exactitud estas prdidas; por eso se suele calcular tomando como numerador, en la expresin anterior, el calor utilizado (que se evala por la caudal y presin y temperatura del vapor producido) el cual es, evidentemente, igual a la diferencia entre el calor cedido por el combustible y el perdido en la instalacin. Igualmente se puede calcular el rendimiento calorfico de la caldera. Lo corriente, sin embargo, es evaluar sta por su ndice de vaporizacin, que vale:

quemadoecombustibldeh/kgproducidovapordeh/kgeb =

Esta cifra es el ndice bruto; tiene poco valor comparativo, pues la calidad del combustible puede ser muy variada. Otro tanto puede decirse por lo relativo al numerador, pues los generadores de vapor trabajan a presiones muy distintas y el calor del vapor vara, como hemos visto, con su presin. Este ltimo inconveniente se salva tomando en el numerador, no la cantidad de vapor realmente producida, sino la cantidad de vapor normal (1 atm, 100 C, partiendo de agua a 0 C, Q = 639,4 Kcal/ Kg) a que equivalga la producida por el generador. El ndice de vaporizacin se llama entonces neto CCaalleeffaacccciinn ccoonn vvaappoorr:: el vapor se utiliza como medio de transportar calor. El calor producido al quemar un combustible se transmite por la caldera al agua; sta llega a la ebullicin, y el vapor producido se conduce hasta el lugar de utilizacin, donde se realiza el proceso inverso: condensacin y liberacin del calor latente, que se transmite a la materia a calentar, y retorno del condensado (eventualmente a la temperatura de condensacin) a la caldera para ser vaporizadas nuevamente. El empleo de vapor de agua como agente de calefaccin presenta muchas ventajas derivadas de los siguientes extremos: a) Se puede conducir fcilmente (por tuberas) a muy distintos lugares de utilizacin. b) La materia prima principal, agua, es de fcil adquisicin, abundante, barata, no

corrosiva, ni venenosa, etc. c) El vapor de agua (saturado) cede la mayor parte de su calor a una temperatura

fija y bien determinada que es su temperatura de condensacin;


d) Cada kilogramo de agua condensada cede una cantidad de calor mayor que la que pudiera ceder cualquiera otra sustancia,

e) El vapor puede emplearse para producir energa como subproducto de la obtencin de vapor para calefaccin. (Sin embargo, en principio, slo ser rentable la produccin de energa en la fbrica qumica si se dispone de un aprovechamiento casi completo del vapor de escape).

Para la produccin de energa se utiliza el vapor recalentado, para evita la

condensacin que pueda tener lugar en la turbina, ya que la presencia de gotas de agua lquida puede terminar por daar los alabes de la misma. Corno agente de calefaccin se utiliza vapor saturado. No puede admitirse, en general, que el recalentamiento del vapor sea origen de una mayor velocidad de transmisin calorfica (Q = U.A.t) porque se bien se eleva el t, el coeficiente global de intercambio U disminuye ya que el vapor recalentado se comporta como un gas, y la ventaja aparente queda reducida a una desventaja real. Por otra parte, debido al humedecimiento que introduce la condensacin en la superficie de transmisin baada por el vapor, y comoquiera que no puede existir vapor recalentado en presencia de agua lquida, el vapor recalentado que llega ante esa superficie ha de perder su condicin de recalentado para vaporizar dicha agua lquida y llegar as a la saturacin. Por esto, no cabe pensar en que el vapor recalentado fuerce el valor de t en la transmisin. Es ms, de todo el contenido calorfico de un vapor, la mayor parte es calor latente, que es el que realmente interesa aprovechar para estos fines, y este calor latente no lo entrega ms que a su temperatura de condensacin, es decir, cuando ha perdido todo recalentamiento. En la calefaccin por vapor hay que determinar cuantitativamente: a) La presin con que ha de trabajar la caldera. b) La superficie de calefaccin del aparato alimentado por el vapor. c) El consumo de vapor (para poder fijar el rgimen de vaporizacin de la caldera). La presin con que ha de trabajar la caldera se fija por la temperatura a que se desea o se precisa efectuar la transmisin, teniendo en cuenta la prdida de presin (y temperatura) que siempre hay entre la caldera y el punto de utilizacin del vapor. Siempre se elige la presin mnima, pues el calor latente (que es el que interesa) disminuye al aumentar la presin y, adems, porque presiones excesivas introducen costos adicionales para los aparatos de generacin y utilizacin, por su mayor robustez. Con habilitar 5 10 C para t en la transmisin, puede ser suficiente en muchos casos. Es claro que t es la diferencia entre la temperatura de condensacin del vapor de agua y la temperatura a que hay que calentar el cuerpo fro. Y es evidente que slo ser imprescindible el empleo de vapor de altas presiones cuando esta ltima temperatura sea elevada. DDEESSCCRRIIPPCCIIOONN DDEETTAALLLLAADDAA DDEE CCAALLDDEERRAASS

Las variantes en el diseo calderas generadoras de vapor casi no tienen lmites. Esto se debe en parte a que cada nuevo desarrollo en el mejoramiento de la calidad del reemplazo ha tenido influencia sobre el diseo de la caldera para hacer que esta sea ms compacta y eficiente.

Las variaciones en el diseo ocurren porque existen muchos factores implicados en la seleccin y operacin de una caldera; entre stos estn la capacidad, los tipos de combustible disponible, el diseo del quemador, las condiciones de presin y temperatura, la calidad del agua de alimentacin, las variaciones previstas en la carga, y el espacio disponible para la instalacin.


Las calderas son de dos diseos generales, las humotubulares y las acuotubulares. En las calderas humotubulares, la llama y los gases calientes se circulan dentro de los tubos arreglados en un haz dentro de un tambor de agua. El agua circula por el exterior de estos tubos (Figura 3 (e)). Segn va cambiando el agua a vapor, sube a la parte superior del tambor de la caldera y sale a travs de un cabezal de vapor. Las calderas humotubulares son generadores de vapor eficientes para los requerimientos de vapor abajo de 68000 kg/h y presin de 10 kg/cm2. Presiones mayores y mayores capacidades requieren placas y paredes de tubo ms gruesas en este diseo, as que las calderas de tubos de agua son ms econmicas para las condiciones por encima de estos lmites.

La caldera acuotubular difiere de la humotubular en que la llama y los gases calientes de combustin fluyen por la parte exterior de los tubos y el agua circula dentro de ellos. La combustin del combustible ocurre en un horno y algunos de los tubos de agua forman, por lo comn, las paredes del horno. En un circuito sencillo de tubos de agua (Figura 5) se forman burbujas de vapor en el lado calentado de los tubos. La mezcla vapor-agua resultante tiene una densidad inferior a la del agua ms fra que est en el lado no calentado y sube, creando una circulacin convectiva a travs del sistema. Las burbujas de vapor suben hasta que alcanzan el tambor de vapor donde ste se libera desde el agua hasta el espacio del vapor. Las calderas de circulacin natural (en las que la circulacin se produce por diferencia de densidades) suelen tener muchos circuitos paralelos. Las secciones de tubos en que el agua calentada sube hasta el tambor de vapor se llaman montantes, y aquellas a

travs de las que desciende el agua ms fra son los conductos de tubos descendentes. Por lo general, la circulacin tiene lugar entre varios tambores. El tambor de vapor en la parte superior separa el vapor del agua; el tambor de barros en el fondo separa los slidos suspendidos y el barro del agua. Un esquema de un diseo de caldera de este tipo en el que se muestran los montantes, los tubos descendentes, y la localizacin de los tambores de vapor y de lodo, se da en la Figura 6. Estos componentes bsicos se encuentran en todas las calderas de circulacin natural con independencia de los detalles del diseo de la caldera.

Figura 5


En las calderas de circulacin forzada, una bomba proporciona la circulacin del agua (Figura 7). Este constituye un control ms positivo de la circulacin que el que se crea tan slo por diferencia de densidades. Esto es importante si la caldera puede operar en un amplio intervalo de capacidad. Si los requerimientos de espacio limitan la altura de una instalacin de caldera, las diferencias de densidad disponibles para crear circulacin natural se vuelven pequeas y la circulacin forzada es ms ventajosa. Tambin es ventajosa a altas presiones puesto que la diferencia en densidad entre el vapor y el agua disminuye. Las

calderas de un solo paso son diseos espec

Figura 6

Figura 7

ficos para la operacin de servicios. Se puede aumentar la eficiencia en la caldera llevando el agua a un contacto ntimo con la fuente de calor. Los tubos se construyen dentro del horno de la caldera para absorber la mayor cantidad posible de calor. En general, todo el hogar, llamado seccin de radiacin, se rodea por tubos de pared por donde circula el agua, (Figura 8). Las conexiones entre las varias secciones de tubos de la caldera se logran por medio de cabezales, designados segn su localizacin, como cabezales de la pared de agua, o cabezales del tambor.

La calidad del vapor es de suma importancia en la mayor parte de las operaciones si se quiere lograr un buen funcionamiento de la turbina y una larga vida del equipo. El agua de la caldera se separa del vapor por medio de separadores ciclnicos y de lavadores de vapor localizados en el tambor de vapor (Figura 9). El vapor que entra al tambor de vapor se dirige primero a los separadores ciclnicos por medio de mamparas. Los ciclones obligan al vapor a moverse en espiral en su trayectoria hacia la salida en la parte superior del separador, y la fuerza centrfuga separa el agua del vapor. El vapor purificado sale en la parte superior del separador, mientras que el agua, que es ms pesada, fluye por el fondo y vuelve a entrar al Figura 8


tambor de la caldera. Despus de pasar

por los separadores ciclnicos, la remocin final del agua arrastrada del vapor se logra por medio de lavadores secundarios de vapor. Estos consisten en mamparas que cambian la direccin del vapor de modo que el agua que choca sobre ellos se drena de regreso al tambor de vapor. El vapor final debera tener menos de 0.1-0.5% de agua arrastrada, dependiendo del diseo y efectividad de los separadores.

La presencia de humedad arrastrada determina la calidad del vapor. Una calidad de vapor de 95% significa que el vapor contiene 5% de humedad. Dado que el

grueso de los slidos de la caldera son sales de sodio, se usa un electrodo de iones que mide sodio especficamente, lo cual se efecta en una muestra de vapor condensado.

La eficiencia promedio de una caldera de tubos de agua que produce vapor saturado es de alrededor de 85%. La mayor parte del calor que se pierde lo hace va gases calientes de la chimenea y por radiacin. Se puede lograr una mejor eficiencia aadiendo dispositivos de recuperacin del calor.

Se puede recuperar una cantidad apreciable de energa con equipos auxiliares de recuperacin de calor. Esto puede obtenerse aumentando la temperatura del vapor por encima de su punto de saturacin y se logra pasando el vapor a travs de una serie de tubos, llamados sobre-calentadores, que estn localizados en la

Figura 9

Figura 10


seccin radiante de la caldera (Figura 10). Asimismo, puede lograrse una ganancia importante en la eficiencia elevando

la temperatura del agua de alimentacin que entra a la caldera acercndola a la temperatura del agua de la caldera, recuperando calor de los gases calientes de combustin antes de descargarlos por la chimenea a la atmsfera. El equipo utilizado en el calentamiento del agua de alimentacin, se muestra en la Figura 11-a. De forma similar, el aire necesario para la combustin en el horno puede recuperar calor adicional de los gases de combustin al pasar a travs de una serie de tubos llamados calentadores del aire, Figura 11-b. Estos se localizan por lo general inmediatamente despus del economizador.

Las calderas acuotubulares pueden ser de tubos horizontales rectos o de

tubos doblados. La caldera de tubos horizontales rectos se hace de un haz de tubos, que por lo general estn en zig zag, como se muestra en la Figura 12 e inclinados a un ngulo de alrededor de 15 para favorecer la circulacin. Las terminales de los tubos se expanden dentro de los cabezales, lo que permite la circulacin entre los tubos y el tambor de vapor. El tanque puede ser longitudinal o transversal respecto

al eje del haz de tubos. Entre las ventajas de las calderas de tubos rectos estn: la visibilidad entre los tubos para inspeccin, la facilidad para reemplazar tubos y la accesibilidad de todos los componentes para inspeccin y la limpieza manual del lado del gas, si es necesario, durante la operacin. Algunas de las desventajas inherentes son: el acceso difcil debido a que hay muchas tapas de, registro y muchos empaques

Figura 11

Figura 12


que tienen que quitarse, volverse a poner y apretarse; las superficies limitadas para el desprendimiento del vapor con una mala separacin de ste y el agua cuando hay altas velocidades de vaporizacin; y las velocidades de vaporizacin limitadas causadas por la circulacin relativamente baja y una mala distribucin.

El diseo de tubos doblados es una caldera multi-tambor con el tambor de lodo en el fondo, y los tambores adicionales, tambin llamados tanques de vapor, localizados en la parte superior. En la Figura 13 se muestra una caldera acuotubular de tubos doblados con dos tambores. Los tubos en las calderas de tubos doblados pueden estar inclinados, arreglados en haz vertical dentro del espacio de combustin o construido como un conjunto de pared de agua, apoyado con refractarios. Una caldera de tubos doblados es un

vaporizador rpido, con respuesta rpida a las cargas fluctuantes debido a su pequeo volumen de agua respecto a su capacidad de generacin. Entre las ventajas de una caldera de tubos doblados estn: una mayor economa en la fabricacin y en la operacin, accesibilidad para inspeccin, limpieza y mantenimiento, y la capacidad de operar a ms altas velocidades de vaporizacin y de producir vapor ms seco.

Figura 13

Las calderas de tubos doblados se clasifican generalmente, todava, segn el nmero de tambores y el arreglo de los tubos dentro de la caldera (Figura 14). Figura 14 Las tres clasificaciones ms importantes son: TTiippoo AA:: con un gran tambor superior para tener separacin efectiva del agua y el vapor, y tambores inferiores (cabezales) para circulacin, (Figura 14 a) TTiippoo DD:: el tambor de vapor y el de lodo se localizan directamente uno encima del


otro y desviado hacia un lado del horno en un patrn de D. (Figura 14 b). Una serie de tubos corren verticalmente entre el tambor de lodo y el de vapor. El resto de los tubos se extiende horizontalmente desde los tambores de vapor y de lodo hasta la pared del horno, punto en el cual se convierten en tubos de pared de agua. Tipo O En este arreglo el tambor de vapor tambin se localiza directamente encima del de lodo, pero ambos se encuentran en el centro de la caldera, y los tubos que los conectan estn en un patrn de 0 (Figura 14 c).

Dependiendo del tamao y de la complejidad de la caldera, puede levantarse in situ, o puede ser preensamblada en la planta del fabricante. Debido a que las calderas en paquete son por lo general ms pequeas, emplean altas tasas de transferencia de calor para obtener la capacidad de vaporizacin requerida. Por esta razn, pueden requerir de un control ms cuidadoso del tratamiento del agua de la caldera y de la operacin que las unidades armadas en el campo.

Los factores ambientales y la disponibilidad del combustible, seguramente tendrn influencia sobre los diseos de las calderas del futuro. Por ejemplo, la combustin del carbn en lecho fluidizado representa una posibilidad para resolver los problemas ambientales de la quema del mismo.


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