SISTEMAS TRMICOS Y DE FLUIDOS

Clase V: Calderas

DIEGO F. COBO dicob@hotmail.com

Septiembre 2012

Definicin de Caldera

Una caldera es un sistema generador de vapor, cuyo principio de funcionamiento es la

transferencia de calor desde los gases calientes, producidos por la combustin de un

combustible, hacia el agua que se transforma en vapor.

CENTRAL TERMOGUAJIRA CARACTERISTICAS UNIDADES

Sitio de ubicacin: Corregimiento de Mingueo, Municipio de Dibulla, Departamento de la Guajira a 96 Kms. de Santa Marta en la troncal del caribe rumbo a Riohacha

Unidades: Dos (2) Marca: Mitsubishi

Caractersticas de la turbina Unidad 1 Unidad 2

Capacidad Nominal:

Capacidad Mxima:

Velocidad: Temperatura del Vapor de Alimentacin:

162.000 KW

168.200 KW

3.6000 min 538 C

.

.

.

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Caractersticas del Generador

Capacidad:

Aislamiento: Enfriamiento:

202.500 KVA

Clase F Hidrgeno a 30 psig

191.500 KVA

.

.

Caractersticas de la Caldera

Hogar

Quemadores de gas tangenciales en 4 elevaciones

Molino de carbn

Ventiladores de tiro forzado

Ventiladores de tiro inducido

Bomba de agua de alimentacin

Eficiencia (gas)

Consumo de gas Consumo de carbn

Balanceado

16

5

2

2

330 tons/hora cada bomba

90.5%

992.000 m/da (turbina a plena

carga) 1.200 tons/da /turbina a plena carga)

.

8 Duplex

4

.

.

.

.

.

.

Capacidad de produccin de vapor de las calderas

La produccin de un generador de vapor se da frecuentemente en

libras de vapor por hora, pero como quiera que el vapor a distintas

presiones y temperaturas posee diferentes cantidades de energa,

aquel sistema no mide exactamente la energa producida. La capacidad

de una caldera de vapor se expresa ms concretamente en forma de

calor total transmitido a travs de sus superficies en Btu/hr (KW), en el

cual el calor transmitido es igual a la variacin de la entalpa del fluido.

Por consiguiente, la produccin de la caldera medida por el calor

absorbido por el agua y vapor ser:

Q = ms * (h - hf) Q = Produccin de la caldera, en Btu/hr (1 KJ/s) ms = Peso del vapor producido por la caldera en lb/hr (Kg/s) h = Entalpa del vapor en Btu/lb (KJ/Kg) hf = Entalpa del agua de alimentacin a la caldera en Btu/lb (KJ/Kg)

Parmetros de diseo de una caldera Datos mnimos que deben drsele al diseador:

1. Presin de operacin de vapor

2. Temperatura de vapor

3. Temperatura del agua de alimentacin

4. Generacin de vapor por hora

5. Anlisis del combustible y su poder calorfico

6. Eficiencia requerida

7. Condiciones de estabilidad de carga

8. Elevacin sobre el nivel del mar

Basado en los anteriores datos, el diseador selecciona los siguientes parmetros:

Liberacin trmica volumtrica (LVC) = Calor desprendido en el hogar por el combustible/Volumen del hogar

(15.000 Btu/pie3 - hr a 150.000 Btu/pie3 - hr) (559.200 KJ/m3 . hr a 5.592.300 KJ/m3 . Hr

Liberacin trmica por unidad de superficie del hogar (LSC) =Calor total en el hogar/Superficie del hogar

(60.000 Btu/pie2 - hr a 220.000 Btu/pie2 - hr) (681.400 KJ/m2 . hr a 2.948.500 KJ/m2 . Hr

Liberacin trmica por unidad de superficie de parrilla para combustibles slidos (LPC) =Calor desprendido por el combustible en el hogar/Superficie de parrilla

(400.000 Btu/pie2 - hr a 1.000.000 Btu/pie2 - hr) (681.400 kj/M2 . HR A 11.357.500 KJ/m2 . hr)

Clasificacin de las calderas

Existen cuatro criterios bsicos para clasificacin de calderas:

1. Disposicin de los fluidos: indica si los tubos llevan los humos de la combustin (pirotubulares) o si

llevan el agua a ser evaporada (acuotubulares). Por la presin y temperatura de trabajo: se dividen

en tres categoras: de baja presin (hasta 60 psi), de media presin (hasta 150 psi) y alta presin

(mayor de 150 psi). Hoy en da se trabajan presiones de hasta 1200 psi (estados supercrticos).

2. Segn el tipo de combustible: los combustibles a quemar pueden ser slidos (carbn, bagazo,

madera, etc.), lquidos (fuel oil, ACPM, etc.) o gaseosos (gas natural, gas propano, gas butano, etc.).

3. Forma de quemar el combustible: si el combustible es slido se puede hablar de parrillas o lecho

fluidizado, si el combustible es lquido se clasifican segn la presin de atomizacin y si el

combustible es gaseoso dividen segn el mezclado o no del gas.

4. Calderas de recuperacin: Son calderas que acompaan un ciclo de gas (Brayton) para recuperar el

calor presente en los gases de salida de la turbina.

Calderas pirotubulares

Las presiones de operacin ms comunes son

150 psi y 250 psi, aunque por supuesto

pueden trabajar a presiones muy bajas .

La mxima produccin de vapor que se puede

conseguir con una unidad de este tipo es del

orden de 30.000 lb/hr (3.8 Kg/s) y slo

producen vapor saturado.

No es conveniente disearlas para presiones

mayores a 300 psi (20.7bar) ni para producir

vapor sobrecalentado.

Son de bajo costo ya que su fabricacin es

sencilla y se utilizan para quemar

combustibles gaseosos, lquidos y slidos.

Este tipo de calderas se fabrican en capacidades que van desde 1 BHP hasta aproximadamente 900 BHP, en unidades estandarizadas de 5, 10, 20, 40, 100, 200 y ms BHP.

Caballo de caldera (BHP)

Para unidades pequeas, en especial pirotubulares, se utiliza el concepto de caballo de

calderas o BHP, el cual fue definido en 1889 por la ASME, basado en una mquina de

vapor que empleaba 30 libras de vapor por HP-hora a una presin relativa de 72 psig con

agua de alimentacin a 101F. Esto corresponde a la vaporizacin de 34.5 lbs. (15.6 Kg) de

agua por hora a 100C en vapor seco a 100C, a la presin atmosfrica normal de 14,7

Psig, cantidad que es igual a 33.472 Btu/hr.

En estas condiciones cada libra de vapor producida requiere primero entalpa de

vaporizacin a la presin atmosfrica normal, la cual vale 970,3 Btu/lb (2.252,2 KJ/Kg). Por

consiguiente, la capacidad de una caldera podr expresarse de la siguiente forma:

BHP de Caldera =ms(h - hf)/(970.3 * 34.5)

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Calderas acuotubulares

Las calderas existentes en los ingenios de la regin se pueden clasificar como del tipo

acuotubular, destinadas a la utilizacin de combustibles slidos (bagazo, bagacillo, carbn)

en parrillas o fijas o viajeras.

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Partes ms importantes de una caldera acuotubular

1. Hogar: es el recinto destinado a la realizacin de la combustin. En las calderas acuotubulares, normalmente esta constituido por paredes de tubos de agua conformando una cmara dentro de la cual se desarrolla el proceso de combustin.

2. Parrilla: Fondo del hogar, donde se deposita el bagazo para producir la combustin. Puede ser fija o mvil.

3. Domo superior: se denomina as a cada uno de los cuerpos cilndricos mayores hacia los cuales convergen los tubos hervidores de las calderas acuatubulares.

4. Domo de lodos: es un elemento en el que normalmente se acumulan depsitos que deben ser evacuados de la caldera por medio de purgas intermitentes. Generalmente se localiza en la parte inferior del banco principal.

5. Banco de tubos: el banco principal esta conformado por un conjunto de tubos conectados entre el domo superior y el domo de lodos. Usualmente esta localizado en la trayectoria de los gases de salida del hogar.

6. Sobrecalentador: o recalentador de vapor es el dispositivo utilizado para elevar la temperatura del vapor saturado proveniente de la caldera sin incrementar su presin. Cuando se emplean dos etapas de recalentamiento, se instala un equipo de atemperacin.

7. Calentador de aire: es un dispositivo recuperador de calor destinado a elevar la temperatura del aire, que participar en la combustin, aprovechando la corriente de los gases generados en la combustin previa.

8. Economizador: es un dispositivo que acta como recuperador de calor que se emplea para incrementar la temperatura del agua de alimentacin de la caldera, utilizando la corriente de gases de la combustin antes de que sean llevados a la chimenea. En general se ubica despus del calentador de aire, sin embargo no es una configuracin fija.

C-E STEAM GENERATOR

CAPACIDAD 150.000 LB/H, 865PSI, 910F

Sobrecalentador Radiacin-conveccin

Sobrecalentador conveccin

Hogar

Parrilla

VTF

Domo de vapor

Domo de lodos

VTI

Economizador

Calentador

Banco generador

Principales sistemas en una caldera Aire requerido en la combustin

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Partes principales de una caldera acuotubular

Tendencias en calderas Acuotubulares

Cmo se produce el vapor en la caldera?

Separacin de la fase gaseosa (vapor) de la fase lquida

Circulacin natural

Partes Principales: Domo de vapor

Calentador de aire

Los calentadores del aire, son equipos intercambiadores de calor que toman el aire antes de entrar al hogar incrementando su temperatura por medio del calor sensible de los gases producto de la combustin. Son muy tiles especialmente cuando se emplean combustibles con alto contenido de humedad (biomasa).

Calentadores de conveccin tubulares :consiste en que el gas caliente circula por el interior de los tubos, mientras que el aire se hace circular por el exterior forzado por un ventilador. El aire hace varios pasos por lo que se aumenta la transferencia de calor. Calentadores de placa: consisten en unas placas ensambladas sobre una cubierta de acero dejando por tanto separacin entre una cmara en el interior de la cual hay gases de la combustin y otra por la que se hace circular el aire.

Economizador

Es bsicamente un intercambiador de calor que se

coloca en la chimenea de una caldera para transferir

el calor contenido en los gases de combustin al

agua de alimentacin a la caldera.

Se obtienen las siguientes ventajas:

Incremento en la eficiencia trmica de

la caldera, lo cual ahorra combustible.

Reduccin de la temperatura de los

gases emitidos a la atmsfera.

Incremento de la temperatura del agua

alimentada a la caldera, lo que reduce

el choque trmico.

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Partes o equipos auxiliares de la caldera 1. Ventilador de tiro forzado: es el equipo encargado de introducir aire hasta el hogar de la caldera,

ayuda a la generacin de una presin positiva dentro del hogar que facilita el desalojo de los gases de combustin.

2. Ventilador de tiro inducido: se encarga de la extraccin de los gases de la combustin, trabajando con presin negativa en la succin para ayudar en la entrada de aire al hogar de la caldera. La presin en el hogar finalmente resulta de un balance de las presiones generadas por los ventiladores y esta por debajo de la presin atmosfrica.

3. Precipitador electroesttico: equipo para filtracin de la corriente de gases, el cual atrapa las partculas suspendidas por medio de su ionizacin y posterior atraccin de la carga.

4. Ciclones colectores de cenizas: equipos que reciben la mezcla de gases y partculas y por efecto de las fuerzas centrfugas generadas al interior del equipo por la trayectoria elptica de los gases, se separan las partculas y se llevan a fuera de la caldera.

5. Vlvulas de seguridad: son elementos encargados de la proteccin de las unidades para evitar sobre-presiones indebidas. Se deben chequear con frecuencia establecida.

6. Trampas de vapor: dispositivos especializados en el desalojo del condensado de las tuberas de vapor.

7. Desaireador: encargado de remover los gases disueltos y elevar la temperatura del agua antes de ingresar a la caldera

8. Bomba de agua de alimentacin: equipo destinado a llevar el agua de la caldera desde el desaireador, hasta el domo superior.

Precipitador electrosttico Los precipitadores electrostticos son utilizados para reducir el nivel de la contaminacin

atmosfrica al quemar material particulado en las plantas de potencia. Es un dispositivo con

combinacin de partes elctricas y mecnicas.

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Planta con ciclo combinado

Termoemcali: 240 MW

Ciclo Brayton

Ciclo Rankine

Caldera de Recuperacin (HRSG). La caldera de recuperacin de calor o HRSG (heat recovery steam generator) en

un ciclo combinado es el elemento encargado de aprovechar la energa de los

gases de escape de la turbina de gas transformndola en vapor. Con

posterioridad, ese vapor puede transformarse en electricidad por una turbina,

ser utilizado en procesos industriales o en sistemas de calefaccin centralizados.

Las calderas de recuperacin de calor pueden clasificarse en calderas con o sin

postcombustin y en calderas horizontales o verticales y tambin por el nmero

de veces que el agua pasa a travs de la caldera conocidas como OTSG (One

Time Steam Generator).

- Desgasificador, es el encargado de eliminar los gases disueltos en el agua de alimentacin, oxigeno principalmente y otros gases que nos podra provocar corrosiones. - Tanque de agua de alimentacin, deposito donde se acumula el agua que alimenta el sistema. - Caldern, es el lugar de donde se alimenta el evaporador de agua y el sobrecalentador de vapor. Puede haber diferentes tipos de calderines segn la turbina de vapor que alimenten ya sean de baja, media o alta presin. - Bombas de alimentacin, son las encargadas de enviar el agua desde el tanque de agua de alimentacin a su caldern correspondiente. - Economizadores, son los intercambiadores encargados de precalentar el agua de alimentacin con el calor residual de los gases de escape, aprovechando su energa con lo que aumentamos el rendimiento y evitamos saltos bruscos de temperatura en la entrada de agua. - Evaporadores, son intercambiadores que aprovechan el calor de los gases de escape de temperatura intermedia para evaporar el agua a la presin del circuito correspondientes, la circulacin del agua a travs de ellos puede ser forzada o natural, en la forzada se utilizan bombas y en la natural el efecto termosifn, aunque tambin se usan bombas en los momentos de arranque o cuando sea necesario, devolviendo el vapor al caldern. - Sobrecalentadotes y Recalentadores, son los intercambiadores que se encuentran en la parte ms cercana a la entrada de los gases procedentes de la combustin en la turbina de gas, el vapor que sale ya esta listo para ser enviado a la turbina de vapor.

Curva de carga del sistema

Curva De Demanda

La informacin de la demanda se presenta mejor en forma grafica en la denominada curva de demanda, que no es sino un grafico de consumo en unidades de potencia energtica (Kwatts o Mwatts) contra tiempo en horas. Puede ser anual, mensual o anual.

De la misma manera puede ser para cada uno de los sectores, para dos combinaciones de ellos o para todos. En resumen muestra la historia del consumo por parte de los usuarios en un grafico de potencia versus tiempo en horas, das, meses. Definir la potencia de diseo de la planta