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CENTRALES TÉRMICAS, CIRCUITO DE AIRE-HUMOS ISMAEL PRIETO

INDICE 1

CIRCUITO DE AIRE-HUMOS

INDICE DE MATERIAS

CIRCUITO DE AIRE-HUMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1. FUNCIÓN Y DISPOSICIÓN DEL CIRCUITO Y SUS COMPONENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2. CHIMENEAS Y TIRO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1. EFECTO DE LA CHIMENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2. EJEMPLO DE CÁLCULO DEL EFECTO DE LA CHIMENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3. LA CHIMENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.4. CAÍDA DE PRESIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.5. EJEMPLO DE CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE

LA CHIMENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.6. FACTORES EXTERNOS QUE AFECTAN A LA ALTURA DE

LA CHIMENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.7. DISEÑO DE LA CHIMENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.8. FUNCIONAMIENTO Y MANTENIMIENTO DE LA CHIMENEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3. VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.1. POTENCIA DE LOS VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2. FUNCIONAMIENTO DE LOS VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.3. CARACTERÍSTICAS AERODINÁMICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.4. ENSAYO DE VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.5. CONTROL DE UN VENTILADOR CENTRÍFUGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.6. ACCIONAMIENTOS DE LOS VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.7. MÁRGENES DE CAPACIDAD DE LOS VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.8. VENTILADORES DE TIRO FORZADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.9. VENTILADORES DE TIRO INDUCIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.10. VENTILADORES DE RECIRCULACIÓN DE HUMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.11. VENTILADORES DE AIRE PRIMARIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.12. FUNCIONAMIENTO DE LOS VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.13. VENTILADORES DE FLUJO AXIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.14. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERÍSTICAS DE CONTROL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.15. FUNCIONAMIENTO EN PARALELO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.16. CARACTERÍSTICAS DE DESPRENDIMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.17. PREVENCIÓN DEL DESPRENDIMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.18. DISPOSICIÓN DE LOS VENTILADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.19. DESGASTE DE LAS PALETAS DE LOS VENTILADORESDE TIRO INDUCIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4. CALENTADORES DE AIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.1. TIPOS DE CALENTADORES DE AIRE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2. CALENTADORES DE AIRE RECUPERATIVOS TUBULARES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.3. CALENTADORES DE AIRE RECUPERATIVOS DE PLACAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.4. CALENTADORES DE AIRE REGENERATIVOS

TIPO LJUNGSTROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.5. CALENTADORES DE AIRE REGENERATIVOS

TIPO ROTHEMUHLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.6. CALENTADORES DE AIRE MEDIANTE VAPOR

O PRECALENTADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.


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CIRCUITO DE AIRE-HUMOS

1. FUNCIÓN Y DISPOSICIÓN DEL CIRCUITO Y SUS COMPONENTESEn un generador de vapor moderno, de alta capacidad, es necesario forzar la entrada de

aire de combustión y también la extracción de los humos producidos en el hogar. Si esto sehiciera mediante tiro natural, la capacidad o potencia del generador, para un mismo volumen,sería muy baja. El sistema aire-humos constituye el conjunto de equipos y de conductosnecesarios para cumplir esta misión.

En la parte izquierda de la figura 1 se puede ver el sistema de aire. El aire atmosféricoes aspirado por un sistema de ventiladores, llamados de tiro forzado. Estos ventiladoresdescargan a un conducto común pero con posibilidad de aislamiento. A continuación el aire pasapor los precalentadores de aire, cuya misión es calentarlo ligeramente para evitar que en elcalentador que viene después se formen zonas excesivamente frías, que se convertirían en focosde condensaciones corrosivas, que producirían daños importantes en el calentador en un tiemporelativamente corto. Desde los precalentadores de aire, éste pasa a los calentadores, donde secalienta aprovechando el calor residual contenido en los humos, antes de que estos sean emitidosa la atmósfera. Desde los calentadores el aire va a las cajas de aire desde donde se inyecta en elhogar por los quemadores siendo el aire secundario de combustión.

En el caso de generadores de vapor que queman combustibles sólidos (carbones), de ladescarga de los ventiladores de tiro forzado, aspiran los ventiladores de aire primario, que tienenla misión de suministrar el aire necesario en los pulverizadores de carbón, que seca despuésarrastrará el carbón pulverizado hasta introducirlo en el hogar a través de los quemadores,constituyendo el aire primario. De la descarga de los ventiladores de aire primario, éste se divideen dos corrientes, una que llegará a los pulverizadores como aire frío y otra que pasa por unprecalentador de aire primario, que tiene la misma misión que los precalentadores que ya vimosentre los ventiladores de tiro forzado y los calentadores de aire. Desde el precalentador de aireprimario, éste pasa por el calentador de aire primario, que lo calienta con calor de los humos decombustión, pero alcanzando una temperatura superior que en los calentadores de airesecundario. De la salida del calentador de aire primario, este va hacia los pulverizadores decarbón. La llegada a los pulverizadores de dos corrientes de aire, una fría y otra caliente, es paraque, variando las cantidades que se toman de cada una de ellas, se regule la temperatura que debede tener la mezcla de aire-carbón a la salida de los pulverizadores.

A la derecha de la figura 1 se muestra el circuito de humos. Los humos se generan porla combustión en el hogar, salen de éste atravesando distintos elementos del circuito agua-vaporen el que van cediendo su calor, como son las paredes divisorias, sobrecalentador secundario,sobrecalentador primario, recalentador y economizador. Después los humos relativamente fríos,pasan por los calentadores de aire, en donde ceden calor y de donde salen a una temperaturainferior a 150 ºC. Una derivación de humos desde un punto anterior al economizador, donde latemperatura es relativamente alta, se utiliza para calentar el aire primario en el calentadorcorrespondiente ( ya se ha mencionado que el aire primario caliente necesita una temperaturasuperior a la que se consigue en los calentadores de aire secundario). Una vez atravesados loscalentadores de aire, los humos pasan por el precipitador electrostático, donde se limpian departículas sólidas (cenizas volantes) y de aquí van a los ventiladores de tiro inducido, que sonlos encargados de aspirarlos desde el hogar. De la descarga de los ventiladores de tiro inducido,los humos son enviados a la chimenea.


2

Figu

ra 1

: Esq

uem

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los c

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de

hum

os


3

Ptotal'Pst%PC'Pst%C 2

2v

2. CHIMENEAS Y TIROPara la combustión efectiva y completa de cualquier combustible, es necesario un caudal

adecuado de aire y se generará una determinada cantidad de humos de humos. El flujo se creay se mantiene por medio de la chimenea y de los ventiladores. O bien la chimenea por si sola ola combinación de chimenea y ventiladores producen la caída de presión necesaria para mantenerel flujo. Se llama TIRO a la diferencia entre la presión en el lado exterior de la pared(atmosférica) y la presión estática en el lado interior de la pared del conducto o la chimenea pordonde circulan los productos de la combustión en el hogar. El flujo de aire-humos a través dela caldera se puede conseguir de cuatro maneras denominadas, tiro forzado, tiro inducido, tiroequilibrado y tiro natural.

Una caldera de TIRO FORZADO funciona con el hogar a una presión superior a laatmosférica. Un sistema de ventiladores situados a la entrada de la caldera, fuerza el aire haciael interior con la presión suficiente para compensar la caída producida en el total del circuito deaire-humos, hasta la salida de la chimenea.

Una caldera de TIRO INDUCIDO funciona con una presión en el hogar inferior a lapresión atmosférica. La presión va disminuyendo desde la entrada pasando por el hogar yconductos de salida de humos, hasta un sistema de ventiladores, llamados ventiladores inducidosque aspiran del hogar y envían los productos de la combustión hacia la chimenea. Cuando lacaldera es pequeña, el tiro se puede conseguir por el efecto de la chimenea, sin que sea necesarioningún tipo de ventilador y en tal caso la caldera se llama de TIRO NATURAL. En las calderasmás modernas siempre se utiliza o un sistema de ventiladores en la salida de la caldera paramantener el flujo de aire-humos (son los tiro inducido) o un sistema de ventiladores para forzarla entrada de aire (son los de tiro forzado).

Una caldera de TIRO EQUILIBRADO tiene un sistema de ventiladores de tiro forzadoen la entrada de aire y un sistema de ventiladores de tiro inducido en la salida de humos. Lapresión estática es superior a la atmosférica en la descarga de los ventiladores de tiro forzado yva disminuyendo progresivamente a medida que se avanza en el circuito, alcanzando el valor dela presión atmosférica aproximadamente en las entradas en el hogar, y desde este punto, lapresión estática baja progresivamente por debajo de la atmosférica hasta alcanzar losventiladores de tiro inducido. Este sistema reduce la presión en el sistema y la tendencia aescapar los gases del hogar a través de mirillas, registros, etc, lo que ocurre cuando el hogar seencuentra presurizado. Este sistema también supone un ahorro de energía, ya que los ventiladoresde tiro forzado tienen un flujo volumétrico pequeño debido a la baja temperatura del aire deentrada y a que la potencia de los ventilados depende del caudal volumétrico. Debido a estasrazones prácticamente todas las calderas modernas son de tiro equilibrado.

La PÉRDIDA DE TIRO es la reducción de la presión estática a lo largo del circuito aire-humos debida al rozamiento y otras causas. La relación entre presión estática, la presióndinámica (debida a la velocidad) y la presión total es la siguiente:

(1)

Esta fórmula procede de la aplicación del primer principio a corrientes fluidassuponiendo que no hay rozamiento y por lo tanto, al frenar el fluido hasta el reposo, toda laenergía cinética se transforma en presión sin que haya aumento de temperatura, la energía interna


4

∆PCH'gZ(ρa&ρHU)'gZ 1va

&1

vHU

EF.CH.'∆PCH

Z'g 1

va

&1

vHU

(ust = utotal) no variará y el volumen especifico, v, lo hace en una cantidad despreciable. Laecuación es aplicable a líquidos y a gases con números de Mach bajos. Los símbolos representanlo siguiente:

Ptotal = Presión total (obtenida llevando el fluido al estado de reposo) (N/m2)Pst = Presión estática (medida) (N/m2)PC = Presión correspondiente a la velocidad (C2/2v)C = Velocidad media (m/s)v = Volumen específico (m3/kg)

2.1. EFECTO DE LA CHIMENEAEl efecto de la chimenea es la diferencia de presión estática entre un punto de la base del

conducto, situado en el exterior y otro de la misma altura situado en el interior, cuando el caudalde aire-humos es igual a cero. La causa de esta diferencia es la diferencia de densidad entre elaire y los humos calientes. El efecto de la chimenea es independiente del caudal de gases y nopuede ser medida con dispositivos de medida de tiro, ya que estos medirían el efecto combinadode la chimenea más las pérdidas debidas al flujo. La intensidad y distribución de esta diferenciade presiones, depende de la altura, la disposición de los conductos y las temperaturas medias enel conducto y en el aire ambiente. El efecto de la chimenea se puede definir de la forma másgeneral como :

(2)

Donde:∆PCH = Gradiente de presión creado por la chimenea (N/m2 ) (Pa)g = Aceleración de la gravedad (m/s2 )Z = Diferencia de cotas entre los puntos consideradosρa = Densidad del aire ambiente (kg/m3 )ρHU = Densidad media de los humos (kg/m3)va = Volumen específico del aire ambiente (m3/kg)vHU = Volumen específico de los humos (m3/kg).

De (2) se obtiene el efecto de la chimenea (EF.CH.) por metro de altura (Pa/m)

(3)

Por conveniencia, la tabla 1 muestra el volumen específico del aire y de los humos en laatmósfera a 556 K (283 C). Considerando que el aire y los humos pueden ser tratados comogases ideales, es posible el cálculo del volumen específico en otras condiciones mediante lafórmula:


5

v'v0TT0

p0

p(4)

Donde, para utilizar los datos de la tabla 1.v = Volumen específico buscado del gas (m3/kg).v0 = Volumen específico del gas a 556 K y una atm(1,01325.105 Pa ) (m3/kg)T = Temperatura del fluido cuyo volumen específico se busca (K)T0 = Temperatura de 556 Kp0 = Presión de una atmósfera (1,01325.105 Pa)p = Presión del fluido cuyo volumen específico se busca (N/m2 ó Pa).

Tabla 1: Volumen específico a 556 K y una atmósfera (1,01325.105 Pa )

Gas m3/kg

Aire seco 1,57

Aire con 0,013 kg de agua por kg de aire seco 1,58

Humos con el 3 % en peso de agua 1,50



Tabla 2: Presión atmosférica en función de la altitud sobre el nivel del marAltura sobre el

nivel del mar (m)Presión (kPa) Altura sobre el

nivel del mar (m)Presión (kPa)

0 101.3 2250 77.6

250 98.4 2500 75.4

500 95.5 2750 74.8

750 92.7 3000 72.4

1000 90.0 3250 70.0

1250 87.3 3500 67.5

1500 84.8 3750 65.1

1750 82.3 4000 62.7

2000 79.9

En la tabla 3 se dan varios valores del efecto de la chimenea a la presión de unaatmósfera. El efecto total teórico de una chimenea o conducto, a una determinada elevaciónsobre el nivel del mar se puede calcular de forma simplificada mediante la ecuación:


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Tiro de la chimenea'Z(EF.CH.) Presion barométricaPresión al ninel del mar (5)

Donde:Z = Altura de la chimenea (m)EF.CH. = Efecto de la chimenea (Pa/m)

En estos cálculos se asume que la temperatura de humos es la media aritmética entre lade entrada y la de salida a la chimenea. La temperatura a lo largo de la chimenea o conducto nopermanece constante, puede haber pérdidas de calor e incluso entradas de aire. En la figura 2 semuestra un valor aproximado para la temperatura de salida en función de la temperatura deentrada y la altura de la chimenea.

2.2. EJEMPLO DE CÁLCULO DEL EFECTO DE LA CHIMENEALa figura 3 ilustra el procedimiento utilizado para calcular el efecto de la chimenea. El

efecto de la chimenea puede favorecer o restringir el caudal de humos a través de la unidad. Lastres zonas de paso de gas están a temperaturas diferentes y el ejemplo se considera al nivel delmar. Para facilitar el proceso se asume que el tiro en el punto D es nulo (presión igual a laatmosférica). El efecto de la chimenea siempre favorece con flujos ascendentes y restringe conflujos descendentes. Utilizando los valores de la tabla 3 para una temperatura ambiente de 26,85ºC (300 K) el efecto de chimenea de cada tramo, en Pa, es:Tabla 3: Efecto de la chimenea (EF.CH.) en Pa/m de altura

VOLUMEN TEMPERATURA DEL AIRE, K TEMPERATURA ESPECIFICO 277.55 288.75 299.85 310.95 DE HUMOS HUMOS VOLUMEN ESPECÍFICO DEL AIRE, m3/kg

C K m3/kg 0.78872 0.82055 0.85209 0.88363

121.1 394.25 1.08352 3.38543 2.90279 2.46004 2.04890260 533.15 1.46526 5.74515 5.26252 4.81976 4.40862

537.8 810.95 2.22874 8.03955 7.55691 7.11416 6.70302815.5 1088.65 2.99195 9.16279 8.68016 8.23740 7.82626

1093.6 1366.75 3.75626 9.83022 9.34758 8.90483 8.493691371.1 1644.25 4.51891 10.27116 9.78853 9.34578 8.93464

El efecto de la chimenea se considera en las siguientes condiciones:Aire: 0,013 kg de agua por kg de aire seco; 0,855 m3/kg; 26,7 ºC; 101,325 kPaHumos: 0,04 kg de agua por kg de aire seco; 0,826 m3/kg; 26,7 ºC; 101,325 kPa

Efecto en DC = (33,5 m).(2,46004 Pa/m) = 82.41 PaEfecto en CB = - (30,5 m).(7,11416 Pa/m) = - 216.98 PaEfecto en BA = (15,2 m).(8,23740 Pa/m) = 125.21 PaSi se mide la presión en los puntos A, B, C y D de la figura 3, con caudal cero, se

obtienen los siguientes valores:Tiro en D = 0 PaTiro en C = Tiro en D más el efecto DC = 0 + 82.41 = 82.41 PaTiro en B = Tiro en C más el efecto CB = 82,41 + (- 216.98) = - 134,57 PaTiro en A = Tiro en B más el efecto BA = - 134,57 + 125.21 = - 9,36 Pa


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Figura 2: Relación aproximada entre las dimensiones de lachimenea y la temperatura de salida de los humos

Nótese que, como el cálculo del efecto chimenea en este ejemplo se hace en el sentidocontrario al flujo, el efecto de la chimenea se suma, en el cálculo del tiro, al existente en la bocade la chimenea. Si se calcula en la dirección del flujo, el efecto de la chimenea debe de restarse.El efecto neto de la chimenea desde D hasta A en la figura 3, es la suma de los tres efectos


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Figura 3: Diagrama ilustrativo del ejemplo de cálculo del efecto de la chimenea con unrecorrido de tres tramos verticales

que es - 9,36. La diferencia de presiones estáticas en A es de -9,36 Pa. La altura de ventiladoreso chimenea, debe de seleccionarse no solo para suministrar el tiro necesario para que sea posiblecompensar las caídas de presión a lo largo de la unidad, si no también para obtener un efectopositivo del sistema para que los humos salgan por la boca de la chimenea a una determinadavelocidad. Esta velocidad debe de proceder de transformar altura estática en altura de velocidad

(si no hay velocidad los humos, no se mueven). Como el tiro en A es de - 9,36 Pa, el ventiladortendrá que compensar esta presión e incrementarla en un valor apropiado para que los humossalgan por la chimenea a una determinada velocidad

2.3. LA CHIMENEALas calderas antiguas funcionaban con el tiro natural creado por la chimenea. Esto se

sigue utilizando en la actualidad pero solamente en unidades de muy baja potencia. Sin embargopara grandes unidades equipadas con sobrecalentadores, economizadores y especialmente con


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Figura 4: Altura de la chimenea, en función del tiro y de la temperatura de los humos

calentadores de aire, no es práctico ni económico que la unidad funcione con el tiro creadoúnicamente por la chimenea. Estas unidades necesitan ventiladores para complementar el tiroinducido por la chimenea. El total de la unidad debe de estar presurizada por un ventilador de

tiro forzado o bien debe de utilizar ventiladores de tiro forzado y de tiro inducido para funcionarcon tiro equilibrado. No se suele utilizar la combinación de ventiladores de tiro inducido ychimenea.

La altura y diámetro necesarios para la chimenea, en el caso de que solo se utilice el tironatural, dependen principalmente de:


10

∆PCAIDA' f LD

G 2

2v% G 2

2v 2'

G 2

2v f L

D%v

1. Pérdidas de carga desde el punto de tiro equilibrado a la entrada a la chimenea.2. Temperatura media de los humos a lo largo de la chimenea y del aire que la rodea.3. Caudal de humos que debe de manipular la chimenea.4. Presión atmosférica.

No existe ninguna fórmula simple que satisfaga todos los factores que influyen en ladeterminación de la altura y el diámetro de la chimenea. Los puntos más importantes a considerarson: 1) Temperatura del aire que rodea a la chimenea y temperatura del gas que entra en lachimenea, 2) Caída de temperatura de los humos a lo largo de la chimenea debida a las pérdidashacia la atmósfera y a las filtraciones de aire. 3) Caídas de presión a lo largo de la chimenea,asociadas con el caudal de humos, debidas al rozamiento y a la velocidad con la que los humosabandonan la chimenea.

2.4. CAÍDA DE PRESIÓNEl tiro neto de la chimenea, o tiro inducido a la entrada de la chimenea, es la diferencia

entre el tiro teórico mediante la ecuación (1) o las ecuaciones (2), (3) y (4) y la caída de presióndebida al flujo de humos en la chimenea.

Si a las pérdidas típicas por rozamiento producidas en una corriente, se le suma la alturade velocidad, que procede de la transformación de presión estática, se obtiene la caída de presiónproducida en el circuito de aire-humos más la chimenea.

(6)

Donde:∆PCAIDA = Caída de presión de la chimenea (N/m2 ) (Pa)f = Coeficiente de rozamiento, adimensional . 0,014 a 0,017L = Longitud (altura) de la chimenea (m)D = Diámetro de la chimenea (m)G = Caudal másico por unidad de superficie, im/A (kg/s.m2 ) im = Caudal másico (kg/s)A = Sección transversal de la chimenea (m2 )v = Volumen específico a la temperatura media (m3 /kg)

Las caídas de presión de la chimenea para unidades que utilizan el tiro natural, soninferiores al 5 % del tiro teórico de la chimenea. La parte de las pérdidas debidas a la energíacinética, no recuperable, de los humos en la salida de la chimenea, es de tres a siete veces laspérdidas por rozamiento, dependiendo de la altura y diámetro de la chimenea.

2.5. EJEMPLO DE CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LA CHIMENEASe puede intentar el cálculo de las dimensiones de la chimenea utilizando las figuras 2,

4 y 5 asumiendo una determinada temperatura en la salida de la chimenea. Se hacenaproximaciones de los valores según sea necesario, por verificación de la temperatura de salida,las pérdidas de flujo y corrección por altura, si es necesario. El ejemplo siguiente ilustra estemétodo de dimensionado.

Características de la unidad:Combustible Carbón pulverizado


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Vapor generado, kg/h 163292.4 kg/hCaudal de humos, kg/h 204115.5 kg/hTemperatura de entrada a la chimenea, C 287,8 CTiro necesario (desde el punto de tiro equilibrado hasta la entrada a la chimenea) 25,4 mm de H2OAltitud de la planta Nivel del mar (0 m)

Para comenzar se supone una temperatura de los humos en la salida de la chimenea de 232,2 C

En el caso de que no se especifique el caudal de humos se puede utilizar la siguienteaproximación:

Tipo de hogar Relación en pesoCaudal de humos/Caudal de vapor

Combustible líquido o gaseosoCarbón pulverizadoParrilla

1,151,251,50

Para calcular el diámetro de la chimenea, de la figura 5, para un caudal de humos de204115,5 kg/h (56,7 kg/s) se obtiene un valor de 4,4196 m. Para la caída de presión de 25,4 mmde H2O (0,254 kPa) (aumentada por seguridad a 27,94 mm de H2O (0,2794 kPa) y unatemperatura media de los humos en la chimenea de 260,0 C, basada en la temperatura de entradaespecificada de 287,8 C y en la supuesta de salida de 232,2 C, de la figura 4 se obtiene una alturaaproximada de la chimenea de 56,9976 m. En la figura 2 se puede hacer un chequeo de latemperatura supuesta como la de salida de la chimenea, considerando los 56,9976 m de altura,4,4196 m de diámetro y una temperatura de entrada de 287,8 C. De este chequeo se obtiene unatemperatura de 221,1 C o bien una temperatura media de la chimenea de 254,4 C con un tiro de27,94 mm de H2O, de la figura 4 se vuelve a recalcular la altura de la chimenea despreciando laspérdidas debidas al flujo, obteniendo una altura de 57.912 m.

Considerando que las pérdidas de la chimenea son del 5 %, la altura final de la misma seráde 60.96 = 57.912/0,95. Esto representa la altura activa de la chimenea. La altura de cualquiersección no activa comprendida entre la entrada y la base, también debe de ser tenida en cuenta.

Las pérdidas debidas al flujo de la chimenea, se pueden comprobar utilizando los valoresanteriores del diámetro, altura, temperatura media de los humos y caudal de los mismos,utilizando la ecuación (6). Si se hace una comprobación de la caída de presión neta disponible,utilizando la ecuación (2), muestra que la caída de 25,4 mm de H2O necesarios, se cubrenampliamente.

Si la planta no estuviera localizada al nivel del mar, el tiro necesario habría queaumentarlo multiplicando por el factor de altura (1,01325/(P.atmosf.)) y el tiro teórico de lachimenea disminuirlo multiplicando por la inversa ((P.atmosf.)/1,01325). En donde P.atmosf. =Presión atmosférica en bar a la elevación donde está situada la instalación.

2.6. FACTORES EXTERNOS QUE AFECTAN A LA ALTURA DE LA CHIMENEALa chimenea también tiene la misión de dispersar los homos que se emiten. Si se aumenta

la altura de la chimenea también aumenta el área de dispersión. En valles estrechos o en lugaresdonde se concentran gran cantidad de industrias, es necesario aumentar la altura de la chimenea.

En algunas plantas localizadas en las proximidades de aeropuertos, no se puede elevar la


12

Figura 5: Diámetro recomendado de la chimenea para un rangodeterminado de caudales de gas

chimenea para lograr el necesario efecto de dispersión. En tales casos la chimenea tiene unestrechamiento en la salida, para aumentar la velocidad de descarga y simular el efecto de unachimenea más alta. Sin embargo el estrechamiento añade una resistencia al paso de los humos quesolo puede ser compensada por medios mecánicos de producción de tiro.

2.7. DISEÑO DE LA CHIMENEAUna vez establecidos la altura y el diámetro de la chimenea, es necesario tener en cuenta

factores económicos y estructurales para hacer el diseño. Los materiales deben de serseleccionados de acuerdo con el coste, altura y forma de soporte. El material también estaráinfluenciado por el poder corrosivo de los humos. Una vez seleccionado el material, debe dedeterminarse y dimensionarse la estructura soporte tanto para cargas estáticas como para cargasdinámicas.

2.8. FUNCIONAMIENTO Y MANTENIMIENTO DE LA CHIMENEATodas las entradas a la chimenea deben de ser herméticas a la entrada de aire y estar

provistas de cortatiros, para aislamiento cuando no esté en funcionamiento. Las entradas de aire


13

Figura 6: Ventilador centrífugo con una sola entrada de gas, con cortatiros deregulación radiales en la entrada y con álabes del rotor curvados hacia atrás

Potencia'k (∆P) 0vηV

frío a la chimenea durante el funcionamiento, reducen la temperatura media de los humos y comoconsecuencia, el efecto de la chimenea. También aumentan el caudal y las perdidas del flujo.

La chimenea está sujeta al efecto erosivo de partículas y a la corrosión por los compuestosácidos. La erosión es más frecuente en las zonas de entrada de la chimenea, donde puede haberestrechamientos y cambios de dirección. Se puede disminuir este efecto utilizando materialesresistentes a la erosión o colocando escudos protectores recambiables.

3. VENTILADORESUn ventilador impulsa una cantidad de aire o gas suministrándole la energía suficiente

para que la corriente avance, venciendo cualquier resistencia al flujo. Un ventilador es unamáquina que consta de un rotor de paletas o impulsor, que comunica la energía al gas, y unacarcasa que contiene y guía el gas manipulado. La potencia suministrada al gas por el ventiladordepende del volumen manipulado por unidad de tiempo, de la presión diferencial a través delventilador y del rendimiento.

3.1. POTENCIA DE LOS VENTILADORESLa potencia del ventilador se puede computar por la suministrada en los terminales del

motor de accionamiento y también se puede calcular por métodos termodinámicos. La potenciaconsumida por un ventilador se puede expresar de la siguiente manera:

(7)


14

Figura 7: Ventilador centrífugo con rotor de doble ancho, dos entradas de gas y álabescurvados hacia atrás.

Donde:Potencia = Potencia comunicada al eje (kW)∆P = Aumento de presión total desde la entrada a la salida de la máquina (kPa)iv = Caudal volumétrico (m3/kg)ηV = Rendimiento mecánico del ventilador (%)k = Factor de compresibilidad (adimensional)

En la tabla 4 se dan factores de compresibilidad y rangos aproximados de rendimiento quepueden ser utilizados en la ecuación (7). El término rendimiento del ventilador puede ser malinterpretado ya que se puede definir en varios sentidos. El rendimiento del ventilador puede serconsiderado únicamente a través del rotor, a través de la carcasa, desde al entrada a la máquina

a la salida sin tener en cuenta los efectos de entrada y salida o a través de la carcasa desde alentrada a la máquina a la salida teniendo en cuenta los efectos de entrada y salida. El vendedor


15

Figura 9: Determinación de la caída de presión en un ventilador de flujoaxial

Figura 8: Ventilador axial de dos ruedas de álabes

del ventilador recomienda la mejor disposición de conductos de entrada y salida para que estas

pérdidas sean lo más bajas posible. Para seleccionar el motor apropiado para el ventilador, lapotencia de entrada en el eje debe de ser calculada utilizando el rendimiento que tiene en cuenta


16

Figura 10: Curvas características de dos tipos de ventiladorescentrífugos funcionando a una elevación de 5500 ft (1676 m) y 965

rpm

todas las pérdidas asociadas con el ventilador incluyendo las debidas a la disposición de los


17

Hd'(k) (∆P)ρg

Potencia'(Q) (Hd ) (g)

ηV (3,6.106 )

conductos de entrada y de salida.Otro método utilizado para calcular la potencia consumida por el ventilador se basa en

tener en cuenta el concepto de altura adiabática. Si se conoce el aumento total de presión, la alturaadiabática se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

(8)

Donde:Hd = Altura adiabática de la columna de gas (m)k = Factor de compresibilidad (adimensional)∆P = Aumento de presión total desde la entrada a la salida de la máquina (kPa)ρ = Densidad actual (kg/m3 )g = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2 )

Utilizando el concepto de altura adiabática, de la ecuación (8), la potencia en kW aportadaal eje de la máquina puede ser calculado como:

(9)

Donde:Q = Caudal másico (kg/h)g = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2 )

3.2. FUNCIONAMIENTO DE LOS VENTILADORESLas chimeneas difícilmente podrían producir el tiro necesario para las necesidades de una

caldera moderna. Estas tienen unas caídas de presión tan grandes que hacen necesario lainstalación de sistemas mecánicos generadores de tiro, para lo que se dispone de una granvariedad de ventiladores. Hay dos clases principales de ventiladores:

1. Los ventiladores de flujo centrífugo, en los cuales el aire, gas o humos, se aceleranradialmente del interior al exterior de un rotor formado por álabes, que descarga en unaenvolvente de forma de voluta, ver figura 6 y 7.2. Los ventiladores de flujo axial, en los cuales el fluido es acelerado paralelamente al ejedel ventilador, ver figura 8 y 9.El funcionamiento de los ventiladores se expresa mejor en forma gráfica mediante curvas,

que dan la presión estática, potencia al freno y el rendimiento estático como una función delcaudal volumétrico (figura 10). Como los ventiladores, para un caudal determinado, tienen unvalor único de la presión estática y un valor único de la potencia, debe de haber equilibrio entrela presión estática y la resistencia del sistema.

Cuando se varía la velocidad del ventilador también lo hacen los valores de lascaracterísticas, obteniéndose familias de curvas tales como las mostradas en la figura 11; aunque,de todos modos la forma de las curvas permanece invariable. Los cambios en el funcionamientode los ventiladores, se pueden predecir mediante las Leyes de funcionamiento de los ventiladores:


18

Figura 11: En este gráfico se muestra como se puede obtenereconómicamente la presión estática necesaria en la salida variando lavelocidad del ventilador y evitando pérdidas por estrangulamiento con

cortatiros


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1. Variación de la velocidad (manteniendo invariables el tamaño del ventilador, la densidad delgas y la resistencia del sistema):

a. La capacidad (m3/min) varía proporcionalmente a la velocidad.b. El aumento de presión varía proporcionalmente al cuadrado de la velocidadc. La potencia varía proporcionalmente al cubo de la velocidad.

Tabla 4: Rangos aproximados del rendimiento mecánico (ηV) y factores de compresibilidad

Rangos aproximados del rendimiento mecánico (ηV)

Ventiladores centrífugos

Álabes de paletas 45 a 60 %

Álabes curvados hacia delante 45 a 60 %

Álabes curvados hacia atrás 75 a 85 %

Álabes inclinados radialmente 60 a 70 %

Air Foil 80 a 90 %

Ventiladores axiales 85 a 90 %

Valores aproximados de los factores de compresibilidad para el aire

∆P/P 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18

k 1 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94

2. Variación del tamaño del ventilador (manteniendo la semejanza geométrica, manteniendoconstantes el incremento de presión, la densidad y la resistencia del sistema):

a. La capacidad (m3/min) varía proporcionalmente al cuadrado del diámetro del rotor..b. La potencia varía proporcionalmente al cuadrado del diámetro del rotor.c. La velocidad varía inversamente proporcional al diámetro del rotor.

3. Variación de la densidad del gas ( manteniendo constantes el tamaño, la velocidad y laresistencia del sistema):

a. La capacidad (m3/min) permanece constante.b. La potencia es directamente proporcional a la densidad del gas.c. La presión es directamente proporcional a la densidad del gas.Los ventiladores geométricamente semejantes tienen características de funcionamiento

también similares. El funcionamiento de un ventilador se puede predecir conociendo el de unventilador semejante mayor o más pequeño. Los dos factores principales de funcionamiento(velocidad y presión estática) están relacionados con los conceptos de velocidad específica ydiámetro específico.

La Velocidad específica son las rpm a las cuales un ventilador podría funcionar si seredujera proporcionalmente su tamaño hasta manipular 1 m3/min de aire en condiciones estándar,con un aumento de presión estática de 1 Pa.

El Diámetro específico es el diámetro necesario para manipular 1 m3/min de aire encondiciones estándar, con un aumento de presión estática de 1 Pa a una determinada velocidadespecífica. De las leyes de los ventiladores se pueden deducir las siguientes ecuaciones:


20

Q1

Q2

'D 2

1

D 22

V1

V2

'D2

D1

Q2

Q3

'V2

V3

P2

P3

'V 2

2

V 23

V 22 'V 2

3P2

P3

'V 23

P1

P3

; V2'V3

P1

P3

12

Llamando:V = Velocidad del ventilador (rpm)Q = Caudal de gas (m3/min)P = Incremento de presión estática en el ventilador (Pa)W = Potencia del ventilador (kW)D = Diámetro del ventilador (m)

Considérense dos procesos:En el primero, desde la condición “1" re reduce el tamaño del ventilador manteniendo la

semejanza geométrica y manteniendo el incremento de presión (P) constante, hasta una condiciónque denominaremos “2", en la cual D2 = Diámetro específico. En este proceso, se cumple P1 =P2 y además, según la ley “2a”:

(10a)

y según la ley “2c”:

(10b)

Al proceso considerado le sigue otro entre la condición “2" y la condición “3" durante elcual se varía la velocidad hasta la específica, manteniendo constante el diámetro (D2 = D3 =Diámetro específico). En esta transformación según la ley “1a” se cumple:

(10c)

y según la ley “1b”:

(10d)

de (10d):

(10e)


21

Q2'Q3

V2

V3

'Q3

P1

P3

12

Q1

Q3

P1

P3

12

'D 2

1

D 23

V1

V3

P1

P3

12

'D3

D1

;V1

V3

P3

P1

12 '

D3

D1

Q1

P1

12

'D 2

1

D 23

; D3'D1P

1/41

Q12

V1

V3P11/2'

D3

D1

;V1

V3

'P 1/2

1 D3

D1

.

V3'V1D1

P 1/21 D3

'V1D1

P 1/21

D1P1/41

Q 1/2

'V1Q

1/21

P 3/41

de (10c)

(10f)

de (10a) y (10f)

(10g)

de (10b) y (10e)

(10h)

Teniendo en cuenta que P3 = 1 y Q3 =1 y que en tal caso D3 será el Diámetro específicoy V3 será la Velocidad específica. De (10g)

(10i)

de (10h)

(10j)

(10k)


22

Velocidad específica (N)' rpm(m 3/min)1/2

(∆PESTATICA)3/4

Diámetro específico (D)'mdiámetro(∆PESTATICA)1/4

(m 3/min)1/2

De (10k) se obtiene:

(11)

De (10j):

(12)

Donde el flujo volumétrico (m3/min) se considera en las condiciones estándar ( 26,7 C;101,325 kPa ) ∆P es la presión estática en kPa y mdiámetro es el diámetro del ventilador en m.

Puesto que, para cada ventilador, solamente hay un valor de la velocidad específicacorrespondiente al punto de rendimiento máximo, tal valor sirve para identificar el diseñoparticular. Lo mismo se puede decir para el tamaño específico. Una vez establecido un tamañoespecífico o un diseño específico, para las necesidades de una aplicación, solamente necesitan serconsiderados los diseños correspondientes a dichos valores.

3.3. CARACTERÍSTICAS AERODINÁMICASEn la figura 12 se muestra un diagrama de selección de ventiladores que se puede utilizar

para determinar el ventilador más económico para un conjunto de condiciones de funcionamiento.Las necesidades de funcionamiento para una caldera de 500 MW, de carbón pulverizado,

que utiliza parejas de ventiladores tanto en los de tiro inducido como en los de tiro forzado y aireprimario, se pueden ver en el diagrama de selección.

Cuando aumenta la velocidad específica, la relación de diámetros de los ventiladorescentrífugos aumenta aproximándose a la unidad. Cuando se aproxima a la unidad, lo que ocurrea altas velocidades específicas, el diseño resulta poco práctico.

En la figura 11 se representa la resistencia del sistema y las características de la velocidadestática del ventilador para varias velocidades. Si el ventilador funciona a velocidad constante,cualquier caudal volumétrico menor al de la intersección de la curva de resistencia del sistemay la característica correspondiente a la velocidad, se puede obtener añadiendo resistenciamediante estrangulamiento de la corriente de gas. Esto representa un gasto en potencia que sepuede evitar utilizando velocidad variable.

Si se representan las características referidas a porcentaje se muestran algunas de lasmuchas variaciones posibles en diferentes diseños de ventiladores. En la figura 14 se muestra unarepresentación de este tipo, seleccionando como 100 % de capacidad el punto de máximorendimiento. Algunos ventiladores tienen características con un amplio rango de variación de lapresión de descarga, mientras otros las tienen más planas. Algunas características de potencia soncóncavas hacia arriba y otras cóncavas hacia abajo. Las segundas tienen la ventaja de que seautolimitan, por lo que tienen bajo riesgo de sobrecargar el motor de accionamiento y requierenpocas necesidades de sobredimensionado del motor.


23

Figura 12: Diagrama para la selección del tipo de ventiladores


24

Figura 13: Ventilador controlado con cortatiros radiales internos

Los ventiladores centrífugos tienen una característica con un rango de presiones en ladescarga relativamente grande, por lo que resultan atractivos para cuando se necesitan altaspresiones en la descarga con caudales de gas relativamente bajos. Los ventiladores con este tipode características también necesitan velocidades máximas para las alturas estáticas máximas.Además los ventiladores centrífugos deben equiparse con forros de desgaste cuando los gases quemanipulan llevan polvo en suspensión. En contraste, los ventiladores de flujo axial son más útilescuando la presión estática necesaria tiende a disminuir cuando lo hace el caudal. La aplicación

de ventiladores de flujo axial en los casos en los que la presión necesaria pueda aumentarbruscamente con caudales bajos, debe de ser estudiada cuidadosamente para asegurar que lasvariaciones en las necesidades de presión estática no provoquen la aparición del desprendimiento

3.4. ENSAYO DE VENTILADORESEs difícil obtener datos consistentes de campo, para el funcionamiento de los ventiladores

ya instalados asociados a conductos, cortatiros, etc porque es imposible eliminar el efecto delsistema. La disposición estructural de los conductos a la entrada y la salida del ventilador tambiénafecta a los resultados de los ensayos. El camino más fiable para verificar el funcionamiento deun ventilador es el banco de ensayos.


25

Figura 14: Curvas características de ventiladores centrífugos y axiales


26

Figura 15: Curvas de funcionamiento de un ventilador de flujo axial de álabes de inclinaciónvariable

3.5. CONTROL DE UN VENTILADOR CENTRÍFUGORaramente, un ventilador puede trabajar a presión y caudal volumétrico constantes. Por

tanto para cumplir con los requerimientos del sistema, se necesita algún medio para variar elcaudal como pueden ser cortatiros o velocidad variable.

El control mediante cortatiros introduce suficiente resistencia variable para alterar lascondiciones de descarga en el sentido que sea necesario y ofrece las siguientes ventajas:

1. Coste de instalación muy bajo para todos los casos.2. Fácil operación y adaptación al control automático.3. Motor de accionamiento relativamente barato, se puede utilizar un simple motor decorriente alterna asíncrono.4. El comportamiento continuo de este tipo de control, lo hace un método efectivo entodo el rango de operación del ventilador.

Sin embargo, el control mediante cortatiros, produce un desperdicio de energía debido aque el exceso energía de presión se disipa mediante estrangulamiento. De todos modos, el controlmás económico de los ventiladores centrífugos es mediante cortatiros radiales en la entradadiseñados para funcionar tanto con aire sucio como con aire limpio. La experiencia defuncionamiento con los ventiladores de tiro forzado, de aire primario y de tiro inducido, haprobado que el control mediante cortatiros radiales en la entrada es fiable y reduce los costes de


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operación. También resulta un control estable, preciso y con una mínima histéresis. El control concortatiros radiales en la entrada (figura 13) regula el caudal de entrada al ventilador y consumemenos potencia a cargas parciales que si se utilizan cortatiros en la salida. Los cortatiros radialesen la entrada (figuras 6 y 7) producen en el gas un determinado grado de remolino en la direcciónde giro del ventilador que ayuda al mismo a producir las condiciones de descarga necesarias apotencia proporcionalmente más baja. Aunque los cortatiros de entrada, como el caso de la figura13, ofrecen un considerable ahorro energético, sobre el caso de cortatiros en la salida, cuando setrabaja de cargas parciales, donde realmente resultan efectivos es a potencias próximas a lanominal. El coste inicial es mayor que el de unos cortatiros normales situados en el conductoperpendicularmente al mismo, pero es menor que el de un control de velocidad variable.

Los motores de velocidad variable son mejores desde el punto de vista de consumoenergético, porque se reduce la velocidad (energía) a caudales más bajos. Sin embargo, losmotores de velocidad variable requieren un coste inicial que puede no compensar los ahorrosenergéticos que se obtienen cuando se funciona a cargas parciales. El control de velocidadtambién produce alguna disminución en el rendimiento del motor, porque ningún motor develocidad variable funciona en todo el rango posible, con un rendimiento tan alto como el quepuede tener un motor asíncrono de velocidad constante. La disminución de rendimiento depende,sobre todo, del tipo de regulador de velocidad.

Los variadores de velocidad normalmente utilizados suelen ser acoplamientos hidráulicos,motores de corriente continua de velocidad variable o turbinas de vapor de velocidad variable.

3.6. ACCIONAMIENTOS DE LOS VENTILADORESLos accionamientos más utilizados para los ventiladores son motores eléctricos, porque

son más baratos y tienen un rendimiento mayor que otros tipos de accionamiento. Paraventiladores de más de algún caballo de potencia, predominan los motores con rotor de jaula deardilla. Este tipo de motores son relativamente baratos, fiables y de alto rendimiento en un ampliorango de potencias. Se utilizan frecuentemente grandes motores, con acoplamientos magnéticoso hidráulicos para las instalaciones de velocidad variable.

Para algunos casos de velocidad variable, principalmente para tamaños pequeños, seutilizan motores de inducción con rotores devanados y anillos rozantes. Si se necesita un motorde corriente continua, normalmente se utiliza el motor paralelo. El accionamiento medianteturbina de vapor es más caro que el de motor asíncrono de jaula de ardilla, pero es más barato quecualquiera de los sistemas eléctricos de variación de velocidad, cuando la potencia supera los 37kW (50 hp). Una turbina de vapor puede ser más económica que un motor eléctrico en plantasdonde hay exceso de vapor por necesidades del proceso, o en grandes instalaciones donde seutiliza vapor para calentamiento del agua de alimentación.

3.7. MÁRGENES DE CAPACIDAD DE LOS VENTILADORESPara tener la seguridad de que los ventiladores no vayan a limitar la capacidad de la

caldera, es necesario añadir márgenes de seguridad a la potencia calculada o neta necesaria. Estosmárgenes deben de cubrir las condiciones de operación que no puedan ser específicamenteevaluadas. Por ejemplo, la variación el las características de las cenizas del combustible o elfuncionamiento inusual con superficies de intercambio de calor sucias con escoria. En tales casos,la unidad necesita más tiro. Las fugas en los calentadores de aire, normalmente, a lo largo de unacampaña, van aumentando debido al desgaste de los cierres, por lo que para mantener el aportede aire necesario y la evacuación de humos más aire fugado, la potencia consumida por los


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Figura 16: Ahorro de potencia

ventiladores también aumenta a lo largo de una campaña. Para un rápido incremento de carga ouna sobrecarga momentánea, siempre se demanda más potencia de los ventiladores. Los márgenespara cubrir estas emergencias incluyen: 1) 15 a 20 % de incremento en peso del caudal de aire yde humos. 2) 20 a 30 % de incremento en la altura neta. 3) 14 ºC de incremento en la temperaturade entrada a los ventiladores.

3.8. VENTILADORES DE TIRO FORZADO Las calderas que funcionan con ventiladores de tiro forzado y ventiladores de tiro

inducido, utilizan los de tiro forzado para inyectar el aire, a través del sistema de aire decombustión, al hogar (figura 1). Las ventiladores deben de tener una presión de descarga losuficientemente grande para igualar la resistencia total de los conductos de aire, calentadores de

aire, quemadores y cualquier otra resistencia entre los ventiladores y la descarga en el hogar. Estohace del hogar el punto de tiro equilibrado. El volumen de descarga de los ventiladores forzados,debe de cubrir el total de necesidades de aire de combustión más las fugas de los calentadores deaire. En la mayoría de las instalaciones, se obtiene mayor fiabilidad repartiendo las necesidadestotales entre dos ventiladores que funcionan en paralelo. Si un ventilador queda fuera de servicio,el otro normalmente puede mantener el 60 % de la potencia nominal de la caldera, dependiendo


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del dimensionado elegido.Para establecer las características necesarias para los ventiladores de tiro forzado, la

resistencia del sistema desde el ventilador hasta el hogar, se calcula mediante el peso de airenecesario para la combustión más las pérdidas esperadas desde el lado de aire al lado de humos.La práctica normal es basar los cálculos en una temperatura del aire entrando a los ventiladoresde 27 ºC. Los resultados se ajustan para las especificaciones de ensayo del bloque mediante losmárgenes dados anteriormente.

La selección de los ventiladores de tiro forzado se realiza tomando en consideración lossiguientes requerimientos:

Fiabilidad. Las calderas deben de funcionar de forma continua durante periodos de tiempomuy prolongados (se pueden alcanzar los 18 meses) sin paradas para reparaciones omantenimiento. Por tanto los ventiladores deben de tener un rotor muy robusto lo mismo que lacarcasa y los cojinetes. El rotor debe de estar bien equilibrado y los álabes deben de tener unadisposición de paletas, con perfiles tales que no propicien la acumulación de polvo, que puede serla causa de desequilibrio.

Rendimiento. Es necesario alto rendimiento en todo el rango de operación requerido porel funcionamiento de la caldera.

Estabilidad. La presión de descarga del ventilador debe de variar de forma uniformedentro de todo el rango de funcionamiento. Esto facilita el control de la caldera y asegura unasperturbaciones mínimas del caudal de aire cuando los ajustes de los quemadores provoquenvariación en la resistencia del sistema. Cuando funcionan en paralelo dos o más ventiladores, lascaracterísticas de presión en la descarga deben de tener formas similares a las de paletas radialeso a las de álabes curvaos hacia atrás, con objeto de repartir lo mas igual posible la potenciacuando se trabaja cerca del límite de funcionamiento estable.

Sobrecarga. Es deseable para los motores de accionamiento de los ventiladores, quetengan una característica que autolimite la potencia, de tal manera que el motor no se puedasobrecargar. Esto significa que, cerca del punto de funcionamiento, la potencia alcanzará unmáximo y luego disminuirá (figura 11).

3.9. VENTILADORES DE TIRO INDUCIDO Las unidades diseñadas para funcionar con hogares de tiro equilibrado, o sin ventiladores

de tiro forzado, necesitan ventiladores de tiro inducido para extraer los productos gaseosos de lacombustión.

El peso de gas que se utiliza para calcular los ventiladores de tiro inducido, es el peso delos productos gaseosos de la combustión a la potencia máxima de la caldera, más las fugas deentrada a la caldera a través del cerramiento, más las fugas de los calentadores de aire desde ellado de aire al lado de humos. La temperatura neta de los humos, se calcula para la potenciamáxima de la caldera. Las condiciones de ensayo de los ventiladores de tiro inducido sedeterminan aplicando unos márgenes sobre los valores calculados, similares a los utilizados paralos ventiladores de tiro forzado.

Un ventilador de tiro inducido básicamente tiene las misma exigencias que un ventiladorde tiro forzado, excepto por el hecho de que manipula gas a una temperatura más alta y que losgases pueden contener partículas sólidas, erosivas, en suspensión. Debe de evitarse unmantenimiento, debido a la erosión, que resulte muy caro, para lo cual se recubre la carcasa eincluso los álabes del rotor con forros de desgaste reemplazables. Debido a su baja resistencia ala erosión, los álabes deben de ser tratados adecuadamente cuando se vayan a utilizar en


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Figura 17: Característica de control del ventilador de álabes deinclinación variable

ventiladores de tiro inducido. Los álabes son muy propensos a la erosión por el polvo y, en laspartes cóncavas, se puede depositar polvo que provoca desequilibrado el rotor, lo mismo quepuede producir el desgaste de las paletas. Los cojinetes, generalmente refrigerados por agua,llevan escudos de radiación sobre el eje entre el ventilador y el cojinete par evitarsobrecalentamiento.

3.10. VENTILADORES DE RECIRCULACIÓN DE HUMOSLos ventiladores de recirculación de humos se utilizan para controlar la temperatura del

vapor, la absorción de calor en el hogar y la formación de escoria en superficies de trasmisión de

calor. Se localizan generalmente en la salida del economizador, para extraer humos e inyectarlosen el hogar en una localización que depende del efecto buscado.


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Estos múltiples propósitos son también consideraciones importantes en el apropiadodimensionado y especificación de los ventiladores de recirculación de humos. La selección puedeser determinada por la alta presión estática necesaria para controlar la temperatura del hogar aplena potencia de la caldera, o por el gran volumen necesario, a carga parcial, para controlar latemperatura del vapor.

Incluso si los ventiladores de recirculación de humos, tienen que hacer frente a los mismosrequerimientos que los ventiladores de tiro inducido, hay otros factores que también deben de sertenidos en cuenta. Los ventiladores de recirculación de humos trabajan a temperaturas más altasy en servicio intermitente, lo que puede provocar contraste térmico y como consecuenciadesequilibrio. Cuando el ventilador no está en servicio, para que no se produzca el retroceso dehumos desde el hogar, deben de existir cortatiros de aislamiento de alta hermeticidad al mismotiempo que un sistema de cierre de aire y cuando los ventiladores sean de gran tamaño deben deestar provistos de virador, que lo mantenga girando a baja velocidad para evitar la deformaciónpermanente.

3.11. VENTILADORES DE AIRE PRIMARIOLos ventiladores de aire primario, en las calderas que queman carbón pulverizado,

suministran el aire necesario para secar el carbón y transportarlo hasta el hogar. Los ventiladoresde aire primario frío, se diseñan para las mismas prestaciones que los ventiladores de tiro forzado.Los ventiladores de aire primario pueden estar localizados antes de los calentadores de aire(sistema de aire primario frío) o después de los calentadores de aire (sistemas de aire primariocaliente). Los sistemas de aire primario frío, tienen la ventaja de trabajar con un caudalvolumétrico más bajo para el mismo flujo másico. Este método presuriza el lado de aire de loscalentadores de aire y hace que las fugas hacia el lado de humos sean mayores. Los sistemas deaire primario caliente evitan este problema, pero necesitan ventiladores de más potencia porqueesta es proporcional al caudal volumétrico.

3.12. FUNCIONAMIENTO DE LOS VENTILADORESLos ventiladores requieren inspecciones frecuentes para detectar y corregir las

irregularidades que pueden producir problemas. Sin embargo deben de soportar largos periodosde operación continua. Todo esto se asegura mediante una lubricación apropiada y refrigeracióndel eje y cojinetes.

Un ventilador debe de estar bien equilibrado, tanto estática como dinámicamente, paraasegurar en funcionamiento “suave”. El equilibrado debe de ser comprobado después de cadaparada para mantenimiento. Los ventiladores que manejan humos con partículas abrasivas estánsometidos a erosión. Para reducir tal desgaste deben de utilizarse forros o materiales resistentesa la abrasión. En algunos casos se aplican recargues de soldadura para rellenar los desgastes.

3.13. VENTILADORES DE FLUJO AXIALUna forma de reducir el consumo energético de los ventiladores es instalar ventiladores

axiales con paletas de inclinación variable. En la figura 16 se compara la potencia consumida porlos ventiladores de tiro forzado, los ventiladores de aire primario y los ventiladores de tiroinducido para una unidad de 500 MW de carbón pulverizado utilizando ventiladores de flujo axialde paletas de inclinación variable y utilizando ventiladores centrífugos de paletas curvadas haciaatrás con cortatiros radiales en la entrada. A la potencia del 100 % de la nominal el ahorro


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Figura 18: Curvas de bombeo

energético es del orden de 4000 kW que representa el 7 % del consumo total de serviciosauxiliares.

3.14. FUNCIONAMIENTO Y CARACTERÍSTICAS DE CONTROLEn la figura 15 se muestran las características de funcionamiento de un ventilador de flujo

axial de paletas de inclinación variable. Las principales circunstancias que se pueden observar dela figura son las siguientes:1. Las zonas de rendimiento constante son paralelas a la linea de resistencia de la caldera,resultando un rendimiento alto para un amplio rango de potencias de la caldera.2. Hay una zona bastante amplia, tanto hacia arriba como hacia abajo, del área de máximorendimiento, que permite que el ventilador sea diseñado para las condiciones netas de la caldera,mientras el punto de prueba permanece dentro de esta zona.3. Las lineas de ángulo de inclinación constante de las paletas tienen una inclinación bastante

pronunciada, un cambio en la resistencia produce un cambio muy pequeño en el caudal.4. Cuando la inclinación de las paletas va desde el mínimo hacia el máximo, la variación delcaudal es prácticamente lineal, como se puede ver en la figura 17.

Las condiciones de los dos últimos hacen que el control del ventilador y de la caldera seanestables.


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Figura 19: El desprendimiento con relación alcomportamiento de la caldera

3.15. FUNCIONAMIENTO EN PARALELOLos ventiladores de flujo axial de paletas de inclinación variable pueden funcionar en

paralelo, teniendo cuidado de evitar que cualquiera de los ventiladores funcione en la zona dedesprendimiento de flujo. Con dos ventiladores en funcionamiento, la linea de resistencia de unventilador está influenciada por el otro ventilador así como por las condiciones de la caldera. Losdos ventiladores en paralelo deben de dar la misma presión estática para vencer la resistencia dela caldera, pero los caudales de ambos no tienen porqué ser iguales. Sin embargo, para obtenerel rendimiento máximo para cada ventilador y al mismo tiempo funcionar lejos de la linea dedesprendimiento, es mejor mantener los dos ventiladores funcionando en paralelo a lascondiciones de diseño.

El control lógico sugerido para arranque, parada y supervisión del funcionamiento de losventiladores axiales de paletas de inclinación variable, de tiro forzado y de tiro inducido es muysimilar al de los ventiladores centrífugos. Un requisito lógico adicional es evitar daños en elventilador mientras se mantiene abierto el camino al flujo desde la caldera para evitar excursionesde presión en el hogar.

3.16. CARACTERÍSTICAS DE DESPRENDIMIENTOLos ventiladores axiales tienen una única característica llamada desprendimiento. El

desprendimiento es el fenómeno aerodinámico que se produce cuando un ventilador funciona másalla de sus límites de funcionamiento y entonces el flujo se separa de la superficie de las paletaso álabes. Si sucede esto el ventilador se vuelve inestable y no vuelve a funcionar dentro de sucurva normal de funcionamiento. Se debe de evitar el funcionamiento prolongado en la región dedesprendimiento. Se producen vibraciones impredecibles que pueden causar daños en las paletasde inclinación variable.

Las curvas de la figura 18 marcadas con A, son las de funcionamiento normal para unainclinación constante de las paletas. Cada ángulo de las paletas tiene su punto de desprendimiento


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individual, identificado como S en el diagrama. La curva C conecta todos los puntos “S” dedesprendimiento, y se suele llamar linea de desprendimiento. Las curvas de trazos B son loscaminos que seguirá el ventilador cuando se alcancen condiciones de desprendimiento, para tresángulos distintos de las paletas.

La figura 19 explica el fenómeno del desprendimiento relacionando los sistemas decaldera y ventilador. Si la resistencia normal de la caldera (curva B) aumenta por alguna razón(por ejemplo una excursión de la presión de caldera debida a un disparo de combustible) el puntode funcionamiento normal X se desplaza hacia el encuentro de otra curva de mayor resistenciaB1 viajando a lo largo de la curva del ventilador A, cuando llega al punto S se producedesprendimiento. Desde ese momento el ventilador sigue la curva de funcionamiento en condiciónde desprendimiento, D, hasta que encuentra el punto X1 en la intersección con la nueva curva deresistencia del sistema, B1. Cuando la resistencia del sistema se reduce a la curva B, el ventiladorse recupera del desprendimiento y vuelve a su funcionamiento normal en la curva A.

En el caso de una perturbación como la descrita anteriormente, los ángulos de inclinaciónde las paletas se pueden reducir hasta que el ventilador recupera la estabilidad. El ventilador seráestable cuando la nueva curva de funcionamiento A1 tenga un punto de desprendimiento S másalto que la resistencia del sistema (curva B1).

3.17. PREVENCIÓN DEL DESPRENDIMIENTOCuando los ventiladores axiales están adecuadamente dimensionados y la resistencia del

sistema es una curva de perfil parabólico, hay poca probabilidad de que se produzcadesprendimiento. La posibilidad de desprendimiento aumenta si se sobredimensiona el ventiladorcon relación a su capacidad volumétrica, si la resistencia del sistema aumenta de forma importanteo si el ventilador es operado de forma inadecuada.

El grado de protección del sistema de control respecto al desprendimiento depende de lafilosofía del propietario. Las necesidades mínimas para una operación satisfactoria son unamonitorización continua de la presión de descarga y el caudal o inclinación de las paletas.

3.18. DISPOSICIÓN DE LOS VENTILADORESLos ventiladores de flujo axial diseñados actualmente para los grandes generadores de

vapor de combustibles fósiles son compactos y relativamente ligeros. Mediante la concentraciónde las partes de trasmisión de potencia en un rotor de un radio relativamente pequeño, se obtieneun momento de inercia relativamente bajo. El peso relativamente bajo, y el que las fuerzas dedesequilibrio y de inercia sean relativamente bajas, posibilita que los ventiladores de flujo axialpuedan ser dispuestos horizontalmente o verticalmente. Esto permite una gran flexibilidad de encuanto a la disposición. La instalación normal a nivel del suelo solo necesita una fundación queno tiene que cumplir excesivos requisitos. La disposición horizontal es la más utilizada para losventiladores de aire primario y de tiro forzado. Los ventiladores inducidos se pueden disponer deforma horizontal o vertical en el interior de la chimenea, cuando no hay espacio suficiente.

3.19. DESGASTE DE LAS PALETAS DE LOS VENTILADORES DE TIRO INDUCIDOEl desgaste de las paletas de los ventiladores de tiro inducido depende de la cantidad y

características de partículas de polvo arrastradas por los humos (hay que incluir los aumentosrepentinos debidos a malfunciones de los precipitadores electrostáticos) como son la dureza, ladistribución de tamaños, la velocidad relativa, el material de las paletas y el ángulo de ataque. Eldiseñador no tiene posibilidades de actuación sobre las tres primeras y debe de buscar otras


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formas de luchar contra el desgaste. El desgaste en los ventiladores de flujo axial de paletas deinclinación variable, es más uniforme. Si se elije un ventilador de dos etapas, de velocidadrelativamente baja, en lugar de uno de una sola etapa de alta velocidad, la abrasión será más baja.Se deben de utilizar materiales resistentes a la abrasión en las zonas más propensas a desgaste.Las paletas deben de ser fácilmente recambiables para permitir un reemplazamiento rápido.

4. CALENTADORES DE AIRELos calentadores de aire se utilizan en los generadores de vapor para recuperar calor a

temperaturas inferiores a las económicamente posibles en el economizador. La temperaturamínima en el economizador viene definida por la temperatura del agua de alimentación, mientrasque en los calentadores de aire, la temperatura mínima de salida de los humos está limitada porel ensuciamiento y corrosión debidos a las condensaciones. Además de precalentar el aire parasecar el carbón y mejorar el rendimiento de la combustión, el calentamiento de aire logra unamejora del rendimiento de la caldera que se puede cifrar en un 1 % por cada 22 grados de aumentode temperatura del aire. No se pueden considerar guías absolutas sino que habrá que tener encuenta las particularidades de cada instalación, pero de todos modos se dará una visión deldiseño, operación y control de los más utilizados.

4.1. TIPOS DE CALENTADORES DE AIREHay dos tipos básicos de calentadores de aire:

Recuperativo: En el cual el flujo de humos se desliza sobre una superficie de una placa o tubo,mientras el aire se desliza sobre la cara opuesta. La transmisión de calor tiene lugar a través delespesor del metal que separa las dos caras. Estos son estáticos, tienen unas fugas teóricas bajasdesde el lado de aire al lado de humos a través de juntas de expansión puertas y carcasas. Esposible encontrar algún tipo de calentadores de este tipo en unidades de baja potencia, aunquetambién se pueden encontrar en unidades de potencia considerable, para calentar el aire primario.Son de tamaños relativamente grandes, difíciles de limpiar y prácticamente no es posible lasustitución de partes dañadas.Regenerativo: En los cuales los humos circulan a través de una matriz cuya temperatura aumentay posteriormente es atravesada por el aire, que se caliente y disminuye la temperatura de la matriz.Ya sea la matriz o los conductos de aire tienen que ser rotativos para hacer posible la forma defuncionamiento. En consecuencia aparecen problemas de sellado entre las partes móviles y fijas,debidas a las presiones diferenciales entre el aire y los humos. La mayor parte de los calentadoresde aire son de este tipo y suelen funcionar en contracorriente, con el aire en sentido ascendentey los humos en sentido descendente. Las ventajas de los regenerativos sobre los recuperativos son: 1 Reducción importante en tamaño y peso. 2 Facilidad de reemplazar las superficies de calentamiento utilizando distintos componentes

para el lado frío y el lado caliente. 3 Cantidad de metal relativamente pequeña que hace económicamente posible la utilización

de aceros aleados e incluso de elementos esmaltados en el lado de baja temperatura. 4 La temperatura mínima del lado frío de los calentadores regenerativos es superior que la

del mismo lado de los calentadores recuperativos, funcionando en las mismas condiciones.Esta temperatura del metal oscila entre 22 ºC por encima y por debajo de la media entrela de entrada de aire y la de salida de humos y no disminuye por efecto de los depósitoscomo ocurre en los calentadores recuperativos.


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Figura 20: Calentador de aire tipo Ljungstrom

5 La perforación de los elementos calefactores (de la matriz) no afecta al rendimiento delcalentador hasta que se hayan desintegrado.De todos modos tienen las siguientes desventajas, todas ellas causa de una disminución


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de la potencia de la unidad: 1 Partes móviles, que pueden ser motivos de parada por avería. 2 Fugas de aire hacia los humos y de humos hacia el aire debido al cambio de aire a humos

y fugas de aire hacia los humos debidas a la presión diferencial aire-humos. Estas fugasde aire son importantes y afectan a la cantidad de gas que deben de manipular todos losventiladores.

3 Los depósitos en los elementos de la matriz, aunque sean relativamente finos, reducen elárea de flujo e incrementan la caída de presión.

4.2. CALENTADORES DE AIRE RECUPERATIVOS TUBULARESSe pueden utilizar para calderas de carbón pulverizado o para combustibles líquidos

derivados del petroleo. Los tubos suelen ser de acero con diámetros comprendidos entre 37 y 62mm. Si los humos fluyen a través de los tubos, son aconsejables los diámetros mayores paraminimizar el riesgo de obstrucción. Los tubos pueden estar dispuestos horizontalmente overticalmente, la ventaja de los tubos verticales es que evitan el depósito de polvo que dificultala trasmisión de calor. Los calentadores de aire se pueden dividir en una sección de altatemperatura con tubos hasta 12 m de longitud y una sección de baja temperatura con tubos hasta4,5 m de longitud, lo que simplifica la reparación de los tubos susceptibles de corrosión. Se sueleutilizar un solo paso o dos por el lado de humos y varios pasos por el lado de aire según ladisposición del conjunto de la planta.

El volumen ocupado por estos calentadores recuperativos es del orden de nueve veces elnecesario en un calentador regenerativo y el peso suele ser el doble. Su construcción resultasimple y robusta y es la única razón para que sigan siendo utilizados para el calentamiento de aireprimario. Aunque en la actualidad existen dificultades para alcanzar la potencia en los grupos de550 MW, debidas a los calentadores de aire regenerativos. Por el momento, no se vislumbraningún avance tecnológico para sustituirlos por otra forma de recuperación de calor.

4.3. CALENTADORES DE AIRE RECUPERATIVOS DE PLACASEstán formados por placas paralelas entre las que circulan alternativamente aire y humos.

La separación idónea entre placas para el caso de calderas de carbón pulverizado está entre 12 y16 mm para los pasos de humos y en 12 mm para los pasos de aire. Es necesario la utilización deespaciadores entre las placas para mantener las distancias adecuadas y evitar la formación dedepósitos y corrosiones en zonas que son prácticamente inaccesibles para reparación. Es muyimportante una buena distribución del aire y los humos sobre todo en el extremo de bajatemperatura, para evitar zonas frías donde se pueda iniciar la corrosión. Si existe algún cambiode dirección antes de la entrada al calentador deben de colocarse placas de fraccionamiento odireccionamiento del flujo. Generalmente los conductos de entrada se diseñan de tal manera queno tengan cambios de dirección. La temperatura mínima de las placas se puede mejorar parareducir la corrosión, recirculando un determinado porcentaje de aire caliente desde la salida hastala entrada. Durante los arranques y periodos de baja carga, se suele utilizar el bypas de aire paraevitar temperaturas bajas en el calentador de aire.

4.4. CALENTADORES DE AIRE REGENERATIVOS TIPO LJUNGSTROMEl diseño original de Ljungstrom data de 1920. En contraste con los calentadores de aire

recuperativos, el calor no se transfiere a través de una pared de una placa o de un tubo, sino quees absorbido y cedido por la misma superficie. La totalidad de los elementos que intervienen en


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Figura 21: Distorsión de los calentadores de aire

la transferencia de calor gira de forma continua pasando alternativamente por las corrientes dehumos y de aire. En la figura 35 se puede ver la disposición de elementos de un calentador de estetipo. El peso de cada calentador para una unidad del orden de 600 MW, puede ser del orden de500 t y está soportado por una estructura apoyada en el suelo.

El rotor de acero medio es la parte central del calentador de aire y contiene la matriz detrasmisión de calor. Existen 24 placas radiales que dividen el calentador en 24 sectores que a suvez se subdividen en los contenedores de los elementos calientes, intermedios y fríos. En la zonamás fría del rotor hay rejillas soldadas entre las separaciones radiales, formando el alojamientode los elementos de la matriz, lo que permite la extracción de los mismos sin que se veanafectados los superiores de las zonas caliente e intermedia. Los elementos de la zona fría tienenuna vida mas corta, debido a los efectos combinados de corrosión ensuciamiento y soplado. Elpeso del rotor suele ir soportado en la parte inferior mediante un cojinete de empuje esférico,

mientras en la parte superior hay un cojinete radial que se encarga de soportar los empujesradiales.

El rotor está envuelto en una carcasa que lleva el aislamiento y soporta los sistemas desoplado, de lavado y de extinción de incendios. Los cuatro conductos de transición llevan el airey los humos a y desde el calentador de aire. Como el calentador está soportado en una estructuraapoyada en el suelo, debe de preverse la dilatación diferencial entre el calentador y la caldera (estácolgada de la parte superior de una estructura). Normalmente se utilizan juntas de expansión enlos conductos. La forma de soporte del calentador consiste en vigas de gran altura que soportanel cojinete de empuje (cojinete soporte) y pilares extremos que soportan la carcasa. Hayconexiones mediante pernos y soldadura que enlazan las dos estructuras soporte de manera queconstituyan un conjunto único.


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En funcionamiento, el rotor toma una distorsión como se puede ver en la figura 21 en laque la carcasa y las partes de cierre no rotativas permanecen indeformables, lo que provoca roceen el lado frío y en el cierre axial, al mismo tiempo que un aumento de las holgura en el ladocaliente. Con objeto de evitar el roce y minimizar las fugas desde el aire al humo, debidas a lapresión diferencial aire-humos, se puede utilizar un sistema de cierres ajustable. El sistema decierres consta de superficies estacionarias ajustables soportadas por la carcasa que tienen formade sector para los cierres radiales superiores e inferiores y de placas circunferenciales axiales paralos cierres axiales. En los nervios divisores radiales del rotor van situadas láminas de chapa tantoen la parte superior como en la inferior que cierran contra las placas de forma de sector. En lasgeneratrices longitudinales de la periferia van colocadas las láminas que hacen el cierre contra lasplacas circunferenciales axiales. Las placas sector y las placas axiales pueden ser ajustables deforma automática; en la parte superior en la periferia se montan los sensores que darán una señalproporcional a la holgura entre el rotor y la placa-sector. La señal de los sensores se utiliza paradaptar la posición de la placa-sector a la deformación del rotor. También se puede actuar deforma similar con la placa axial. De todos modos los cierres de ajuste automático, no han dadoresultados satisfactorios.

Los valores de fugas típicos pueden estar en el orden del 10 % en los calentadoresprincipales (de aire secundario) y pueden llegar al 40 % en los calentadores de aire primario.También hay fugas que bypasan los elementos activos de calentador de aire, que se producen alo largo de las generatrices, del rotor,. Para minimizar estas fugas hay unos cierrescircunferenciales entre el perímetro de la parte superior del rotor y la carcasa y lo mismo en laparte inferior, formados por láminas sujetas a la carcasa que cierran contra los nervioscircunferenciales.

El rotor gira a una velocidad del orden de una revolución por minuto, accionado por unmotor eléctrico de una potencia del orden de 15 kW mediante una doble reducción con unacoplamiento flexible, lleva también un accionamiento neumático para caso de emergencia y unaccionamiento manual para mantenimiento

Si como se dijo anteriormente, el rotor tiene 24 radios, sobre cada uno de los cuales sesujeta una lámina de cierre, y la placa-sector tiene un ángulo de 15 º, solamente puede haber decada vez una lámina haciendo cierre sobre la placa-sector. Sin embargo se ha comprobado quecuando hay dos radios haciendo cierre simultáneamente, las fugas disminuyen. Esto puede ser departicular importancia, cuando se utilizan calentadores de aire separados para el aire primario.Hay que hacer notar que en algunos casos los calentadores tienen 12 sectores y la placa sector unángulo de 30 º.

En cuanto a la superficie de trasmisión de calor de los calentadores de aire, a los que nosvenimos refiriendo en este apartado, es superior a los 51000 m2 y se compone de tres partes. Elextremo frío tiene una altura del orden de 0,3 m y está formada por chapas de 0, 8 mm que tienenforma plana con pliegues que hacen de espaciadores entre placas. Las zonas caliente e intermediason cada una de 0,8 m de altura y están hechas de chapas de acero medio de 0,5 mm empaquetadasen pares donde una de las chapas está ondulada y la otra tiene pliegues. La disposición relativade ondulaciones y pliegues provoca una alta turbulencia que mejora el coeficiente de trasmisiónde calor. En el pasado se dotaba de profundidad adicional a cada una de las partes para aumentarla superficie de intercambio de calor. Esta práctica, se ha abandonado en las plantas de nuevodiseño, en las que las toberas de los sopladores de limpieza están demasiado lejos de loselementos. Todos los elementos se fabrican en paquetes compactos para facilitar la extracción ysustitución.


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Figura 22: Parte fija activa de un calentador de aire tipo Rothemuhle

4.5. CALENTADORES DE AIRE REGENERATIVOS TIPO ROTHEMUHLEEste tipo de calentadores funciona según el mismo principio que el calentador Ljungstrom.

La superficie de intercambio de calor está en el estator (figura 22) , y situadas encima y debajode la superficie de trasmisión de calor, están las parejas de campanas accionadas por el mismo ejecentral. Los humos calientes procedentes de la salida del economizador entran en el calentadorde aire por la parte superior y atraviesan en sentido descendente los elementos del estatorcediendo su calor. El aire frío procedente de los ventiladores de tiro inducido es conducido através de las campanas, que giran a baja velocidad, hacia la parte inferior del estator, que esatravesado en sentido ascendente y le cede el calor que anteriormente había tomado de los humos.En la parte superior del estator es recibido por otra campana simétrica de la de entrada respecto

al plano central horizontal del estator. Para reducir a un mínimo las fugas del aire hacia los humosse dispone de una serie de cierres deslizantes (figura 23). El calentador mostrado corresponde auna unidad de 660 MW de fuel-oil y tiene unos 14 m de diámetro. El calentador de aire estásoportado por una estructura de acero apoyada en el suelo de la unidad, y necesariamente debede disponer de juntas de expansión entre los conductos y la unidad de caldera.

El estator es en su totalidad de estructura soldada y comprende la carcasa externa, el cubointerno (de alojamiento del eje) y las placas de división tal como se muestra en la figura 22. Estádividido en siete anillos por placas circunferenciales y en un número determinado de celdas por


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Figura 23: Sistema de cierres del calentador de aire tipo Rothemuhle

placas radiales. Cada campana de aire consta de una estructura de acero con forma circular en el

acoplamiento con el tubo y terminada en dos sectores que presionan haciendo cierre sobre elestator. Cada estructura de campana está soportada sobre otra estructura cilíndrica enchavetadaal eje de giro. En la figura 23 se muestra un despiece del conjunto que compone el cierre de cadacampana contra la cara del estator.


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Es un requisito de cualquier tipo de calentador de aire que no sea necesario el ajuste delos cierres cuando cambien las condiciones de funcionamiento. Se han hecho muchos esfuerzospara revisar los diseños y reducir las pérdidas. Se pretende reducir las perdidas totales a valoresdel orden del 5 % en los calentadores de aire secundario y al 10 % en los de aire primario.

Los dos cojinetes que lleva el eje tienen un sistema de lubricación forzada con aceite y elaceite se refrigera mediante soplado con aire en un radiador. El accionamiento de la unidad constade un motor eléctrico y un reductor montados verticalmente en una estructura situada en elexterior del estator. Hay sopladores montados tanto en la campana superior como en la inferiordispuestos para soplar sobre la zona donde están pasando los humos. La superficie de trasmisiónde calor mostrada en la figura 22 consta de paquetes de chapa de 0,8 mm. Cada paquete contienealternadamente placas corrugadas verticales y diagonales. El conjunto produce turbulencia yconsecuentemente altos coeficientes de trasmisión de calor.

4.6. CALENTADORES DE AIRE MEDIANTE VAPOR O PRECALENTADORESLos calentadores de aire con vapor se instalan en la corriente de aire antes de la entrada

a los calentadores regenerativos con el objeto de aumentar la temperatura del lado frío en lasépocas de bajas temperaturas y reducir la corrosión debida a condensaciones. Hay varios diseñosy cada uno consta de bancos de tubos con aletas a los cuales llega vapor débilmentesobrecalentado que se condensa y cede su calor al aire que circula por el exterior.

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