Tipos de Caldera a Vapor

1 . T I P O S D E C A L D E R A S D E VAPOR

Las Normas UNE 9.002 y 9.003 presentan los diversos criterios de clasificación para las calderas de vapor y las calderas de agua sobrecalentada, respectivamente. En dichas normas, atendiendo a la disposición de los fluidos, se clasifican las calderas mencionadas en:

1. Calderas de tubos de humo (pirotubulares). 2. Calderas de tubos de agua (acuotubulares).

Esta división, sobre todo en el área de calderas acuotubulares, debe ser ampliada para ser más comprensible, ya que este tipo de generadores se pueden clasificar en función de innumerables parámetros. A continuación se indican de forma resumida diferentes formas de clasificación en función de las distintas variables que caracterizan a las calderas.

A. SEGÚN LA CIRCULACIÓN DE LOS FLUIDOS

a) Calderas de circulación natural. b) Calderas de circulación forzada. c) Calderas de circulación controlada o asistida. d) Calderas'de circulación combinada (forzada y controlada).

Dado que se considera esta clasificación como la más importante a continuación se define cada tipo.

a) Caldera de circulación natural

6 CALDERAS DE VAPOR EN LA INDUSTRIA

Este tipo de calderas sólo emplea los "fenómenos naturales" de circulación y evita la utilización de bombas de alta presión.

b) Caldera de circulación forzada

La circulación se obtiene por una bomba que impulsa el fluido por una serie de tubos situados en paralelo.

Una desventaja de este tipo reside en su reducida capacidad de acumulación; el peso de agua contenido en la caldera es solamente del 5 al 10 por ciento del caudal horario máximo, comparado con el 20 al 30 por ciento para una caldera de circulación natural.

c) Calderas de circulación controlada o asistida

Es una caldera de circulación natural en la que se han intercalado una o varias bombas de circulación en los tubos de bajada.

Las cargas bajas en este tipo de caldera son muy peligrosas ya que, como el caudal que circula es pequeño, el agua se vaporiza en su totalidad y puede llegar a pasar al estado de vapor sobrecalentado.

El empleo de este tipo de calderas es poco recomendable para presiones bajas, dada la gran variación de densidad del fluido.

TIPOS DE CALDERAS DE VAPOR 7

La igualdad de las velocidades en los tubos, que tienen distintos trazados, se obtiene por medio de diafragmas colocados en la entrada de cada tubo o grupo de tubos. Este tipo de caldera permite arranques mas rápidos, ya que la circulación es establecida artificialmente. Se emplea para presiones comprendidas entre 140 y 190 bars.

d) Caldera de circulación combinada

Esta caldera es una combinación de la de circulación forzada y de la de circulación controlada.

En principio, la bomba de circulación trabaja para cargas inferiores al 60-70 por ciento de la plena carga. Para las otras cargas, la caldera trabaja con circulación forzada clásica con la bomba de alimentación. La bomba de circulación permite así soportar cargas notablemente bajas.

Este tipo de caldera se usa sobre todo para presiones supercríticas.

B. SEGÚN LA TRANSMISIÓN DE CALOR

a) Calderas de convección. b) Calderas de radiación. c) Calderas de radiación y convección.

C. SEGÚN EL COMBUSTIBLE UTILIZADO

a) Calderas de carbón (parrilla mecánica, carbón pulverizado y lecho fluidificado). b) Calderas de combustibles líquidos. c) Calderas de combustibles gaseosos. d) Calderas para combustibles especiales (licor negro, bagazo, desperdicios de maderas,

combustibles vegetales, etc.). e) Calderas de recuperación de calor de gases (con o sin postcombustión).

D. SEGÚN EL TIRO

a) Calderas de hogar presurizado. b) Calderas de hogar equilibrado.


E. SEGÚN EL SISTEMA DE SOPORTE

a) Calderas apoyadas. b) Calderas suspendidas.

F. SEGÚN EL LUGAR DE MONTAJE

a) Calderas montadas en taller. b) Calderas montadas en campo.

G. SEGÚN SU IMPLANTACIÓN

a) Calderas terrestres. b) Calderas marinas.

H. SEGÚN SU UBICACIÓN

a) Calderas a la intemperie (outdoor). b) Calderas protegidas contra intemperie (indoor).

I. SEGÚN SU OPERACIÓN

a) Calderas automáticas. b) Calderas semiautomáticas (automáticas de encendido manual). c) Calderas de operación manual.

J. SEGÚN LA PRESIÓN DE TRABAJO

a) Calderas subcríticas: - de baja presión: p < 20 kg/cm2

- de media presión: 20 < p < 64 kg/cm2

- de alta presión: /; > 64 kg/cm2

b) Calderas supercríticas.

K. SEGÚN EL MEDIO DE TRANSPORTE DEL CALOR

a) Calderas de vapor. b) Calderas de agua caliente. c) Calderas de agua sobrecalentada.

1.1 CALDERAS PIROTUBULARES

Se denominan así porque los gases pasan por el interior de tubos sumergidos en el interior de una masa de agua, todo ello rodeado por un cuerpo o carcasa exterior. Los gases al atravesar los tubos ceden su calor sensible, a través de sus paredes, al agua que los rodea, produciendo en las proximidades de los tubos su vaporización.

El diseño de estas calderas está limitado por la presión de vapor, debido a que las presiones mayores de 25 kg/cm2 obligarían a usar fuertes espesores de virola. La producción de vapor alcanza como máximo 35 t/h.


Ventajas:

- Gran volumen de agua y, por tanto, mucha energía acumulada. - Menores fluctuaciones de presión. - Menor desembolso inicial. - Rendimientos altos.

Inconvenientes:

- Riesgo de explosiones. - Problemas frecuentes si se instala un sobrecalentador. - Circulación del agua interior sin definir.

1.1.1 Calderas Pirotubulares de Carbón

Se caracterizan porque necesitan un hogar amplio donde se originan importantes pérdidas de calor tanto por convección como por radiación, siendo imprescindible la instalación de un buen aislamiento.

Fig. 1.5 Caldera pirotubular de carbón


El equipo de combustión en este tipo de caldera se suele montar "in situ", por lo que requiere que el montaje final se efectúe en campo.

1.1.2 Calderas Pirotubulares para combustibles líquidos o gaseosos

Son más pequeñas que las anteriores y se dividen en dos grupos.

1.1.2.1 De hogar integral

En este tipo de caldera, debido a que el combustible quemado es líquido o gas, se obtiene una llama alargada por la parte baja del hogar que es mucho más pequeño que en las de carbón.

Fig. 1.6 Caldera de hogar integral

1.1.2.2 Compacta con tubo de hogar

Se caracterizan porque posee un tubo central sumergido en el agua, que hace de hogar. Los gases ceden calor a este tubo por radiación. Posteriormente, pasan por los tubos que también están sumergidos en el agua.

A veces, y debido a las dimensiones de la llama, se suelen fabricar estas calderas con doble hogar paralelo.

Como se ha explicado anteriormente, las calderas pirotubulares necesitan mucho menos espacio que las calderas acuotubulares. De esta manera, la sala de calderas es menor.

Se suelen entregar como unidades completas (salvo las de combustibles sólidos), por lo que para su puesta en servicio sólo requiere ser conectada a las líneas de suministro de agua, energía eléctrica, vapor y combustible.

Todos los equipos necesarios para su funcionamiento, al igual que la caldera, suelen ir instalados sobre un bastidor común, requiriendo tan sólo una cimentación sencilla, lo que representa otra ventaja frente


Fig. 1.7 Caldera compacta con tubo hogar

a las calderas acuotubulares. También, el ventilador de aire de combustión se instala en equipo compacto con el quemador (calderas de baja producción hasta 3.000 kg/h. de vapor) o sobre el cuerpo de caldera (calderas hasta 35.000 kg/h. de vapor).

La legislación vigente (ver cap. 2) para estas calderas se recoge en el Reglamento de Aparatos a Presión y en la Instrucción Técnica Complementaria MIE-AP-1.

Se usa con combustibles líquidos o gaseosos, en unidad compacta, con funcionamiento totalmente automático y con la siguiente composición:

1. Cámara de combustión

Es la zona donde se produce la combustión y, generalmente, se compone de una parte de hogar liso (la más próxima al quemador) y otra de hogar ondulado para hacerlo más flexible.


2. Cajas de humos

En las cajas de humos los gases invierten el sentido de su movimiento. Su número depende del de pasos de gases:

2 pasos de gases: 1 caja de humos. 3 pasos de gases: 2 cajas de humos.

En este último caso se coloca una en la parte anterior y otra en la posterior.

3. Sobrecalentador

Habitualmente, se fabrican estas calderas para producir vapor saturado, aún cuando se puede instalar un sobrecalentador que se puede situar tanto en la caja delantera como trasera, dependiendo de los diseños. Suele ser de tipo serpentín (drenable) o del tipo de tubos en U (no drenable). En su colector de salida se sitúan la válvula de seguridad, presostatos, termómetro y manómetro, además de tener los correspondientes injertos para purga y aireaciones.

1.1.3 Control

Regulación de combustión, (ver apart. 3. 7)

Generalmente se usa la regulación llamada modulante que en función de la presión de vapor, posicio-na la válvula de control de combustible y el servomotor del ventilador.

Regulación del nivel del agua, (ver apart. 2.3)

Suele utilizarse la denominada de un elemento mediante un controlador que posiciona la válvula de control de alimentación en función del nivel detectado en la caldera.

1.1.4 Seguridades

Habitualmente, se encuentran en una caldera de este tipo las siguientes seguridades:

Bajo nivel de agua. Se detecta por un interruptor de nivel que provoca una alarma y corte de combustible, que exige una acción manual para la puesta en marcha del generador.

Muy bajo nivel de agua. Se detecta por un interruptor de nivel independiente del anterior que genera una alarma y un corte de combustible. Exige acción manual para su posterior puesta en marcha.

Alto nivel de agua. Se detecta por un limitador que genera una alarma óptica y acústica. Provoca la parada de bombas de agua de alimentación.

Alta presión de vapor. Se detecta por un presostato tarado a una presión inferior a la de disparo de las válvulas de seguridad. Actúa sobre el corte de combustible parando la combustión.

Fallo de lldma. Se detecta por la célula fotoeléctrica instalada en el quemador. Provoca una alarma y un corte de combustible.

TIPOS DE CALDERAS DE VAPOR

Baja temperatura de combustible (cuando se quema fuelóleo). Se detecta por un termostato colocado en la tubería de llegada al quemador. Provoca una alarma y un corte del combustible.

Fallo de corriente eléctrica. Provoca un corte de combustible, requiriéndose una acción manual para nueva puesta en marcha.

Válvulas de seguridad. Generalmente se colocan 2 en la caldera y 1 en el sobrecalentador (si existe).

1.1.5 Equipos auxiliares

Indicadores de nivel. Se suelen situar 2 indicadores independientes, donde se indican de forma visible los distintos niveles de seguridad (alto, bajo y muy bajo). Llevan convenientemente instalados los grifos de comunicación (con dispositivo de cierre) y grifos de purga.

Equipo de combustión, compuesto por quemador y motoventilador de aire comburente como equipo compacto (aplicable lo indicado en el cap. 3).

Grupo de preparación de combustible (aplicable lo indicado en el cap.3.).

Motobombas de agua de alimentación (I de reserva), con sus correspondientes válvulas de aislamiento, by-pass, manómetros, etc.

Manómetros y termómetros en los diferentes fluidos.

Tuberías para inyección de reactivos químicos y para purga.

1.2 CALDERAS ACUOTUBULARES COMPACTAS

En este apartado se recogen las calderas acuotubulares de montaje en taller que compiten con las calderas pirotubulares recogidas en el apartado 1.1, y que por lo tanto son de baja producción de vapor aunque pueden llegar a presiones altas.

Entre las grandes ventajas que presentan estas calderas compactas sobre otros tipos de generadores de vapor está la de requerir, en general, un espacio menor de instalación para una misma superficie de calefacción, así como presentar un peso más reducido, circunstancia que debe tenerse en cuenta para su transporte e instalación.

Las calderas de tubos de agua son, especialmente, aptas para trabajar con altas presiones, adaptándose a las máximas potencias, ya que sus piezas pueden construirse con facilidad y economía. Las calderas acuotubulares, por su relativamente reducido volumen de agua y buena circulación interior, levantan presiones con mucha rapidez, lo que tiene como contrapartida lógica su relativamente pequeño poder acumulativo cuando se trabaja con grandes variaciones en el consumo de vapor.

Para subsanar este inconveniente es por lo que ciertas calderas de tubos de agua tienen uno o varios tambores (Fig. 1.8), con lo que se tiene mayor cantidad de agua dentro del sistema de la caldera.


En las calderas acuotubulares se dispone la superficie de convección de tal manera que una parte de los tubos actúen como conducto de bajada y el resto como conducto de subida, dependiendo de la cantidad de calor que se transmite a los tubos. Esto se denomina circulación natural.

Las primeras hileras, formadas por muchos tubos que están expuestos al calor radiante directo (Fig. 1.8), actúan como tubos de elevación y el resto como tubos de bajada. El agua que baja (a la temperatura de saturación o un poco menos), no está mezclada con burbujas de vapor. Los circuitos de ascenso (a la temperatura de saturación) arrastran una mezcla de agua y vapor hacia el tambor. La densidad menor de la mezcla dentro de los tubos de subida proporciona la presión motriz que mantiene la circulación (Fig. 1.9).

Si se quema más combustible aumenta el numero de tubos que actúan como elevadores, con la correspondiente disminución de los tubos de bajada. Una combustión excesiva puede reducir el numero de tubos de descenso por debajo del límite tolerable.

La circulación se beneficia intercalando un sobrecalentador de convección entre los haces de los tubos para separar las bajadas de las subidas, definiéndolas perfectamente. El agua sube por los haces del lado del hogar y desciende por los más alejados ya que los gases de la combustión, cuando llegan a estos últimos, han perdido temperatura a través de los primeros y del sobrecalentador de vapor, y calientan menos el agua.

Todas estas calderas tienen en común entre sí que el espacio del hogar viene limitado por superficies refrigerantes calentadas por radiación, las cuales son mucho más eficaces que las superficies de calefacción por convección.


Las calderas con hogar con "paredes de agua" tienen un problema adicional con la circulación. El calor radiante es absorbido con tal rapidez que una gran parte del tubo se llena de vapor cerca de su extremo superior. Para subsanar este inconveniente se necesitan conexiones que faciliten la circulación en las paredes de agua, es decir, tubos de bajada que alimenten los colectores de las paredes de agua y tubos de subida que conecten los colectores con los calderines y completen así el circuito. Las áreas de flujo de las bajadas dependen del tamaño de la pared expuesta al fuego, de la altura efectiva del agua en la pared y de la cantidad de calor absorbido.

Ventajas:

- Bajo riesgo de explosión fuerte. - Mejor título del vapor. - Rendimientos elevados. - Colocación sencilla del sobrecalentador. - Circulación del agua interior definida.

Con frecuencia es necesario instalar tubos de bajada externos o internos sin calefacción, para evitar deterioros en la zona de transición.

Los tubos externos de bajada se requieren cuando la envolvente del hogar o "pared de agua" está formada por una sola hilera de tubos.


Inconvenientes:

- Menor energía almacenada que en las calderas pirotubulares para la misma producción, aún cuando reacciona rápidamente a las variaciones de presión.

- Mayor costo inicial.

Para Control, Seguridades, Equipos de Combustión, etc. ver los Capítulos 2 y 3.

Este tipo de caldera compacta se puede clasificar de acuerdo con la forma de la sección del hogar en tres tipos: A, D y O. En cualquiera de los tres casos la circulación es natural.

Las calderas de tipo A pueden llegar a producir hasta 125 t/h (requieren montaje en campo) y se caracterizan por ser de diseño de tres tambores (1 superior y 2 inferiores de menor volumen). Su simetría de diseño las hace simples para su montaje y manejo.

El diseño de este tipo tiene un haz vaporizador con múltiples circuitos de tubos simples que comienzan en los tambores inferiores y terminan en el tambor de vapor. La forma de unión de los tubos en ambos tambores es por expansionado.

El factor que determina el espesor de las chapas de los tambores es el diámetro y las distancias entre los agujeros (coeficiente de ligadura). A fin de disminuir este espesor se suelen utilizar tubos de diámetro pequeño.

El sobrecalentado!- puede ser de convección o de radiación.

A este tipo de calderas pertenecen las calderas marinas de dos hogares con vapor sobrecalentado (Fig. 1.10).


Las calderas de tipo D llegan a producir hasta 74 t/h (Fig. 1.11). Constan de un tambor inferior y de un

tambor superior de vapor.

Fig. 1.11 Calderas de t ipo D


Al alojar el sobrecalentador en el paso de convección (sobrecalentador de convección) mejora la circulación de la caldera.

Este tipo de caldera es el más usado por los fabricantes como caldera acuotubular tipo "compacta" (package) para quemar fuelóleo, gas o combinación de ambos.

Las calderas de tipo O son simétricas como las de tipo A y, asimismo, pueden llegar a producir 75 t/h.

En la Fig. 1.13 se muestran secciones de una caldera de este tipo.

El sobrecalentador es de tipo radiante.

Al igual que las anteriofes, se usan para quemar cualquier tipo de combustible líquido, gaseoso o combinación de ambos.


1.3 CALDERAS ACUOTUBULARES NO COMPACTAS

Estas calderas requieren el montaje en campo y llegan a producir hasta 450 t/h de vapor sobrecalentado a 540 °C con presiones de diseño de 125 kg/cm2.

Los equipos auxiliares, controles, etc. se explican en los Capítulos 2 y 3.

Los quemadores se sitúan sobre la pared frontal (combustión frontal) (Fig. 1.14) o sobre los ángulos de dicha pared con los laterales (combustión tangencial) (Fig. 1.15).

Fig. 1.14 Caldera con combustión frontal

Este tipo de calderas queman combustibles líquidos, gaseosos o una mezcla de ambos, por lo que se diseñan como calderas presurizadas sin uso de ventiladores de tiro aspirado.

Las paredes del hogar (refrigeradas) suelen ser de tubos de dos pulgadas de diámetro y cuatro de paso, entre los cuales se sueldan longitudinalmente pletinas metálicas formando una construcción totalmente estanca. El aislamiento se aplica directamente sobre los paneles metálicos.


Flg. 1.15 Caldera con combustión tangencial

Los sobrecalentadores pueden ser colgados (Fig.1.14 y 1.15) no drenables o apoyados totalmente drenables (Fig.1.16).

Fig. 1.16 Caldera con sobrecalentador apoyado

Las calderas modernas acuotubulares no compactas son de dos tambores. En el tambor superior, ademas de las válvulas de seguridad, instrumentación, etc., se alojan los ciclones separadores de vapor y los secadores (Ver cap. 8).


1.4 CALDERAS PARA COMBUSTIBLES SOLIDOS

Estas calderas sirven para quemar carbón (pulverizado o sobre parrilla) o madera (serrín, corteza, etc.) sobre parrilla, de acuerdo con las variantes indicadas en el apartado 3.4.3. (quemadores para sólidos).

Se describen las calderas utilizadas para quemar combustibles sólidos (principalmente carbón o madera) sobre parrilla, así como las calderas diseñadas para la combustión de residuos sólidos municipales.

Las calderas para quemar carbón pulverizado se ven en el apartado 1.6.

Los equipos auxiliares, seguridades etc., se explican en los capítulos 2 y 3.

En las Figs. 1.17 y 1.18, se muestran vistas de dos calderas diseñadas para quemar carbón o madera, de hogar refrigerado tipo pared membrana.

Estas calderas de hogar refrigerado pueden ser colgadas (Figs. 1.17 y 1.18), semisoportadas o apoya

das (Fig. 1.19).



Estas calderas se construyen para un margen muy amplio de variación de producción de vapor, lo que sumado a la gran variedad de combustibles que pueden quemar, motiva que sea uno de los generadores de mayor aplicación.

Sus límites de aplicación llegan a ser:

- Vaporización: hasta 110 t/h de vapor sobrecalentado. - Presión de vapor: hasta 80 kg/cm2. - Temperatura de vapor: hasta 500 °C.

Estas calderas tienen habitualmente dos tambores. El sobrecalentador, que es de convección, está colgado y protegido por una pantalla de agua. Son de tiro equilibrado o trabajan en ligera depresión por lo que requieren ventiladores de tiro aspirado para conducir los gases de combustión desde el hogar hasta el exterior.


Debido a que tanto el carbón como la madera se introducen en el hogar con un contenido de humedad de hasta un 60%, es necesario calentar el aire de combustión para secar el combustible cuando éste se encuentra sobre la parrilla.

Los restantes equipos auxiliares usados en este tipo de instalación son los habituales de todas las

calderas.

Para bajas producciones de vapor (hasta 30 t/h) se emplean calderas de hogar refrigerado con calderín transversal (Fig. 1.20) o calderín longitudinal (Fig. 1.21).

Estas calderas tienen las secciones de calefacción agrupadas y colocadas con una cierta inclinación (15°), formadas por tubos rectos y lisos, unidos en sus extremos a cabezales de forma ondulada. Dichos cabezales unen, a su vez, las correspondientes secciones por la parte superior, e independientemente entre sí, mediante tubos de circulación, cortos y largos, a uno o varios recipientes cilindricos (tambores de agua y vapor), y por la parte inferior, mediante tubos cortos, a un recipiente de purga.

El conjunto así formado va suspendido de vigas soportadas por columnas independientes de la envoltura, lo que permite su libre dilatación y cualquier renovación o reparación de la envoltura sin perturbación ninguna en la suspensión.

La forma ondulada de los cabezales permite colocar los tubos al tresbolillo, obligando a los gases a efectuar un recorrido sinuoso que asegura un contacto eficaz de los mismos con toda la superficie


exterior de calefacción. Dicha posición, unida a la rápida y definida circulación interior del agua vaporizada por la inclinación de las secciones, hace que el rendimiento de dichos generadores sea elevado. El sobrecalentador suele instalarse en el segundo paso de gases. También requiere la instalación de calentadores de aire.

A raíz de las crisis del petróleo se produjo una potenciación de la inversión en los generadores de vapor que usaban combustibles sólidos, lo que supuso un verdadero lanzamiento de estos tipos de calderas, algunas de las cuales se han reconvertido posteriormente para quemar combustibles líquidos o gaseosos.

Actualmente y en el futuro se prevén fuertes inversiones en diversas ciudades españolas de calderas para residuos urbanos. La Fig. 1.22 muestra una caldera para procesar este tipo de combustible. Es una caldera colgada, de hogar refrigerado, con sobrecalentadores no drenables.

La parte inferior del hogar se protege con ladrillos refractarios especiales, tanto para proteger los tubos de erosiones provocadas por los arrastres como para obtener una temperatura suficiente de combustión.

Tanto el haz vaporizador como el cconomizador son de llujos paralelos y tubos aleteados. La caldera se caracteriza por tener un único tambor.


1.5 LECHOS FLUIDIFICADOS

A modo de resumen cabe indicar que las calderas de lecho fluidificado permiten quemar combustibles pobres, con poca preparación para su introducción en el hogar, consiguiendo reducciones de hasta el 95% en las emisiones de S02 por acción de la caliza, rebajando también las emisiones de NOx por ser la temperatura de combustión en el hogar de aproximadamente 850 °C.

En función de la velocidad del gas a través del lecho, éste es:

- Burbujeante. Prácticamente no se producen arrastres de partículas. La velocidad máxima es 3,5 m/s.

- Circulante. Se producen arrastres que se recogen en ciclones especiales devolviéndolos al hogar. Velocidad hasta 9 m/s.

Teniendo en cuenta la presión existente en el hogar cada uno de los anteriores es:

- Atmosférico. Presión atmosférica en el hogar.

- Presurizado. Hogar presurizado que permite la mejora del rendimiento total del ciclo.

1.5.1 Lecho fluidificado burbujeante atmosférico

Se utiliza en calderas industriales de baja producción de vapor y se usa para quemar tanto carbones como residuos de madera (cortezas, serrín, etc.) o lodos procedentes de procesos industriales.


i 1.5.2 Lecho fluidificado burbujeante presurizado

En España está instalado este sistema en la central térmica de Escatrón.

La turbina de gas acciona el compresor que suministra el aire de combustión a alta presión al combústor. Los gases, después de ser Ampiados en ciclones, accionan la citada turbina. El vapor se produce simultáneamente en el haz tubular del combústor y acciona una turbina de vapor. Se trata de un ciclo combinado con combustible carbón, en el que la turbina de gas produce alrededor del 20% y la turbina de vapor del orden del 80% de la potencia eléctrica.

La temperatura de combustión es del orden de los 850 °C favoreciendo las emisiones bajas de NOx. Con la utilización de dolomita o caliza como absorbente alimentado con el carbón, las emisiones de azufre pueden reducirse hasta un nivel muy bajo (el 90-95 % es una reducción normal). Se pueden utilizar carbones con altos contenidos de azufre y cenizas.

1.5.3 Lecho fluidificado circulante atmosférico

El carbón y la caliza*son introducidos en el hogar. Los gases antes de pasar por los sobrecalentadores y haces convectivos son procesados en un ciclón que reinyecta los sólidos al hogar.


1.5.4 Lecho fluidificado circulante presurizado

Aún no se ha desarrollado industrialmenle, estando en estudio, tanto teórico como práctico, en maquetas realizadas a escalas reducidas en los centros de investigación de las compañías investigadoras.

1.6 GRANDES CALDERAS ACUOTUBULARES

Se refiere este apartado a calderas acuotubulares que forman parte de un ciclo de producción de energía eléctrica independientemente del combustible utilizado.

Generalmente el combustible principal suele ser carbón pulverizado, siendo utilizado el fuelóleo o el gas como combustibles auxiliares.

Todos los diseños de estos tipo de caldera se caracterizan por el uso de un único calderín (calderas subcríticas) y un hogar adecuado en volumen para el combustible que se queme.


1.6.1 Circulación Natural

Como se ha explicado, por el efecto del calor aplicado en el hogar de la caldera se produce la circulación del agua-vapor por el interior de los tubos convirtiendo el hogar y el haz vaporizador en tubos de subida y las tuberías externas desde el calderín hasta los colectores inferiores en tubos de bajada.

En la práctica el limite máximo en la presión de estas calderas es de aproximadamente 186 kg/cm2 a la

salida del sobrecalentados

En la Fig. 1.26 se muestra una caldera de este tipo.

Fig. 1.26 Caldera de circulación natural

Vaporización: 613.000 kg/h. Presión SH: 172 kg/cm2. Temperatura SH: 568 °C. Temperatura RH: 540 °C. Combustible: Carbón.


1.6.2 Circulación Forzada

Se aplica a calderas que trabajan por encima de la presión crítica, aunque los diseñadores en general

prefieren usar la circulación combinada para proteger la caldera a bajas cargas.

El uso de la circulación natural cae rápidamente a medida que se aumenta la presión de operación, ya

que el volumen especifico del vapor disminuye muy rápidamente. Comparando la densidad del agua a

la de la mezcla compuesta por una parte de vapor y tres partes de agua (en peso), se comprueba que la

relación de estas densidades es 402 a presión atmosférica, 63 a 6 kg/cm2, 5,9 a 69 kg/cm2, solamente

1,8 a 174 kg/cm2 y 1 a la presión crítica 225,5 kg/cm2 abs. Se ve claramente que a partir de determina

das presiones es necesario introducir en los circuitos elementos mecánicos (bombas de alimentación o

circulación) capaces de compensar las pérdidas de carga de los diferentes circuitos.

La Fig. 1.27 muestra una caldera de este tipo.

Fig. 1.27 Caldera de circulación forzada

Vaporización: 1.134.000 kg/h.

Presión SH: 256 kg/cm2 (supercrítica).

Temperatura SH: 599 °C.

Temperatura RH: 568 °C.

Combustible: Carbón.

Tubos de hogar horizontales.


1.6.3 Circulación asistida

Se usa para calderas que trabajan por debajo de la presión crítica, pero en el rango más elevado de las presiones subcríticas.

Este tipo de calderas incorporan una bomba de recirculación entre el tambor y las paredes de agua que asegura una circulación positiva antes de que se aplique el calor del hogar.

Estas bombas ayudan a vencer las pérdidas por fricción en los tubos del hogar, resultando una caldera más económica ya que todos los tubos son de menor diámetro y espesor que los requeridos por la circulación natural para la misma presión.

En la Fig. 1.28 se muestra un esquema de una caldera de este tipo.

Fig.1.28 Caldera de circulación asistida

Vaporización: 1.500.000 kg/h. Temperatura RH: 540 °C

Presión SH: 188kg/cm2. Combustible: Carbón pulverizado Temperatura SH: 540 °C. (quemadores tangenciales).

1.6.4. Circulación combinada

Incorpora lo.indicado para la circulación forzada (altas cargas de funcionamiento por encima del 60% aproximadamente) y para la circulación asistida (por debajo del 60%). Las bombas de recirculación no funcionan a cargas superiores al 60%.


Se usan para calderas supercríticas y para las del alto rango de las subcríticas.

En la Fig. 1.29 se representa un esquema autoexplicativo de lo anteriormente definido.

En la Fig. 1.30 se muestra una caldera de este tipo.

Fig. 1.30 Caldera de circulación combinada

Vaporización: 2.100.000 kg/h. Temperatura RH: 568 °C.

Presión SH: 271 kg/cm2. Combustible: Carbón pulverizado (quemadores

Temperatura SH: 568 °C. tangenciales).


1.7 SOBRECALENTADORES, RECALENTADORES Y ATEMPERADORES

1.7.1 Sobrecalentadores

La producción de vapor a temperaturas superiores a la de saturación recibe el nombre de sobrecalentamiento. La temperatura agregada se llama grado de sobrecalentamiento. Las condiciones de éste se expresan, ya sea indicando la temperatura real, o bien los grados de sobrecalentamiento para una presión determinada.

Para la producción de este vapor sobrecalentado se utilizan los sobrecalentadores. Estos elementos están comunicados con el tambor de vapor del que reciben vapor saturado y con la turbina a la que envían el vapor sobrecalentado.

Para su perfecto diseño es necesario conocer en lodos sus punios la temperatura máxima de metal para así usar el material más adecuado.

En cuanto a su constitución, pueden ser horizontales (Fig. 1.32) o verticales (Fig. 1.33).


1.7.2 Recalentadores

Después de haberse expansionado en la turbina el vapor sobrecalentado, con el objeto de aumentar el rendimiento del ciclo antes de que la temperatura del vapor sobrecalentado llegue al valor de saturación correspondiente a la presión más baja, se vuelve a sobrecalentar (recalentar) en los recalentadores. Una representación elemental de un ciclo aparece en la Fig. 1.34.


Suelen ser verticales (Fig. 1.35) y horizontales.

1.7.3 Atemperadores

Su misión es la de reducir la temperatura de salida del vapor primario mediante la introducción de agua fría procedente de las bombas de agua de alimentación, o de vapor saturado del calderín (si es del tipo de inyección), o mediante la colocación del mismo en el tambor inferior (si es del tipo de superficie) antes de la entrada del vapor en el sobrecalentador secundario. En la Fig. 1.36 se muestra un atemperador de inyección que es el más utilizado.

Se colocan generalmente entre los sobiecalentadores o recalentadores primario y secundario.


Este efecto es más pronunciado cuanto más alejado está el sobrecalentador del hogar.

El sobrecalentador radiante recibe la mayor parte del calor por radiación. Como la absorción de calor por las paredes del hogar no aumenta en proporción directa con la carga de la caldera la curva de sobrecalentamiento radiante disminuye con el aumento de carga.

Generalmente, con objeto de obtener una curva lo más plana posible en una gran parte del rango de funcionamiento de la caldera se colocan ambos tipos de sobrecalentadores en serie.

1.8 CONDICIONES QUE DEBE CUMPLIR UNA CALDERA

Las condiciones que debe reunir una caldera se resumen en los siguientes requerimientos:

1° Construcción robusta y compensadora de dilataciones.

2.° Tambor de recogida de impurezas del agua (fangos), con el fin de que estas impurezas no queden sometidas a la acción del fuego.

1.7.4 Influencia de la radiación y de la convección

Los primeros sobrecalentadores y recalentadores que se instalaron en las calderas fueron del tipo de convección, ya que se situaban en áreas de la caldera donde la transmisión de calor por radiación era pequeña. En una disposición de este tipo, la temperatura del vapor a la salida del sobrecalentador se incrementa con la carga de la caldera a causa de la disminución del porcentaje del calor que es absorbido en el hogar, quedando más calor disponible para la absorción por el sobrecalentador. Como la cantidad de calor transferida por convección es casi una función directa de la carga de la caldera, la absorción total en el sobrecalentador por kg. de vapor aumenta con el incremento de la carga de la caldera.

Este fenómeno se representa en la Fig. 1.37.


3." Suficiente capacidad de agua y de vapor de forma que pueda absorber fluctuaciones en la demanda de vapor.

4." Relación superficie de vaporización/capacidad de vaporización adecuada en orden a evitar la formación de espumas.

5." Las juntas de dilatación no deben estar expuestas a la acción del fuego.

6." La cámara de combustión ha de ser tal que la combustión sea completada antes de que los gases pasen a los recuperadores.

7.'' Disposición de las superficies de transferencia con respecto al flujo de gases tal que se obtengan buenos coeficientes de convección.

8.° Facilidad de limpieza de superficies para aumentar la seguridad y la economía.

9.° Elasticidad de funcionamiento.

10." Estar provista de los equipos auxiliares necesarios para garantizar la medida, seguridad y control.

Tipos de Caldera a Vapor

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