Este documento describe los principales componentes de una instalación generadora de vapor, incluyendo calderas, economizadores, sobrecalentadores, quemadores, condensadores y bombas. Explica los tipos básicos de calderas humotubulares y acuotubulares, así como los ciclos de vapor de Rankine y Hirn. Finalmente, detalla los diferentes tipos de condensadores, incluyendo de superficie, de mezcla y barométricos.
CALDERA: recipiente metálico en el que se genera vapor a presión mediante la acción de calor.
GENERADOR DE VAPOR: es el conjunto o sistema formado por una caldera y sus accesorios, destinados a transformar un líquido en vapor, a temperatura y presión diferenta al de la atmósfera.
MANOMETRO: el instrumento destinado a medir la presión efectiva producida por el vapor en el interior de la caldera.
OBJETIVOS
Las calderas o generadores a vapor son equipos cuyo objetivo es:
*Generar agua caliente para calefacción y uso general, o
*Generar vapor para planta de fuerza, procesos industriales o calefacción.
FUNCIONAMIENTO
Funcionan mediante la transferencia de calor, producida generalmente al quemarse un combustible, al agua contenida o circulando dentro de un recipiente metálico. En toda caldera se distinguen dos zonas importantes:
*Zona de liberación de calor o cámara de combustión: es el lugar donde se quema el combustible. Puede ser interior o exterior con respecto al recipiente metálico.
-Interior: la cámara de combustión se encuentra dentro del recipiente metálico o rodeado de paredes refrigeradas por agua.
-Exterior: cámara de combustión constituida fuera del recipiente metálico. Está parcialmente rodeado o sin paredes refrigeradas por agua.
La transferencia de calor en esta zona se realiza principalmente por radiación (llama-agua).
*Zona de tubos: es la zona donde los productos de la combustión (gases o humos) transfieren calor al agua principalmente por (gases-aguas). Esta constitutiva por tubos, dentro de los cuales pueden circular los humos o el agua.
Accesorios para el funcionamiento seguro
Las calderas deben poseer una serie de accesorios que permitan su utilización en forma segura, los que son:
Accesorios de observación: dos indicadores de nivel de agua y uno o más manómetros. En el caso de los manómetros estos deberán indicar con una línea roja indeleble la presión máxima de la caldera.
Accesorios de seguridad: válvula de seguridad, sistema de alarma, sellos o puertas de alivio de sobre presión en el hogar y tapón fusible (en algunos casos). El sistema de alarma, acústica o visual, se debe activar cuando el nivel de agua llegue al mínimo, y además deberá detener el sistema de combustión.
La instrumentación, diseño y simulación de dispositivos de enfriamiento de agua ha constituido a lo largo de las operaciones unitarias un marco de referencia en el estudio, comprensión y aplicación de la fenomenología de los mecanismos de transferencia de masa, energía y cantidad de movimiento [1]. Los equipos de enfriamiento de sistemas simples como lo es el sistema aire y vapor de agua constituyen una base fundamental en estudios preliminares de gran aplicación a nivel industrial.
Las torres de enfriamiento tienen como finalidad enfriar una corriente de agua por vaporización parcial de esta con el consiguiente intercambio de calor sensible y latente de una corriente de aire seco y frío que circula por el mismo aparato. Las torres pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque se centra en un equipo de costo inicial bajo y de costo de operación también reducido.
CALDERA: recipiente metálico en el que se genera vapor a presión mediante la acción de calor.
GENERADOR DE VAPOR: es el conjunto o sistema formado por una caldera y sus accesorios, destinados a transformar un líquido en vapor, a temperatura y presión diferenta al de la atmósfera.
MANOMETRO: el instrumento destinado a medir la presión efectiva producida por el vapor en el interior de la caldera.
OBJETIVOS
Las calderas o generadores a vapor son equipos cuyo objetivo es:
*Generar agua caliente para calefacción y uso general, o
*Generar vapor para planta de fuerza, procesos industriales o calefacción.
FUNCIONAMIENTO
Funcionan mediante la transferencia de calor, producida generalmente al quemarse un combustible, al agua contenida o circulando dentro de un recipiente metálico. En toda caldera se distinguen dos zonas importantes:
*Zona de liberación de calor o cámara de combustión: es el lugar donde se quema el combustible. Puede ser interior o exterior con respecto al recipiente metálico.
-Interior: la cámara de combustión se encuentra dentro del recipiente metálico o rodeado de paredes refrigeradas por agua.
-Exterior: cámara de combustión constituida fuera del recipiente metálico. Está parcialmente rodeado o sin paredes refrigeradas por agua.
La transferencia de calor en esta zona se realiza principalmente por radiación (llama-agua).
*Zona de tubos: es la zona donde los productos de la combustión (gases o humos) transfieren calor al agua principalmente por (gases-aguas). Esta constitutiva por tubos, dentro de los cuales pueden circular los humos o el agua.
Accesorios para el funcionamiento seguro
Las calderas deben poseer una serie de accesorios que permitan su utilización en forma segura, los que son:
Accesorios de observación: dos indicadores de nivel de agua y uno o más manómetros. En el caso de los manómetros estos deberán indicar con una línea roja indeleble la presión máxima de la caldera.
Accesorios de seguridad: válvula de seguridad, sistema de alarma, sellos o puertas de alivio de sobre presión en el hogar y tapón fusible (en algunos casos). El sistema de alarma, acústica o visual, se debe activar cuando el nivel de agua llegue al mínimo, y además deberá detener el sistema de combustión.
La instrumentación, diseño y simulación de dispositivos de enfriamiento de agua ha constituido a lo largo de las operaciones unitarias un marco de referencia en el estudio, comprensión y aplicación de la fenomenología de los mecanismos de transferencia de masa, energía y cantidad de movimiento [1]. Los equipos de enfriamiento de sistemas simples como lo es el sistema aire y vapor de agua constituyen una base fundamental en estudios preliminares de gran aplicación a nivel industrial.
Las torres de enfriamiento tienen como finalidad enfriar una corriente de agua por vaporización parcial de esta con el consiguiente intercambio de calor sensible y latente de una corriente de aire seco y frío que circula por el mismo aparato. Las torres pueden ser de muchos tipos, sin embargo el enfoque se centra en un equipo de costo inicial bajo y de costo de operación también reducido.
Diseño y montaje de sistemas de energia solaraliloinomedle
Presentación rápida sobre los sistemas foto voltaicos.
Se necesitan al menos unos 900Lx para que un panel solar funcione optimamente.
En El Salvador, recibimos baños de luz por encima de los 1500Lx... Luego dicen que eso aqui no es rentable.
Resumen Ciclo de Potencia y Refrigeracion (Termodinámica II USB)Domenico Venezia
Resumen sacado de Termodinámica de Cengel y Sontag, con respecto a la teoría de ciclos de potencia y refrigeración. Contiene además el ciclo de gases que corresponde al sistema de refrigeración de aviones
(Çengel) Ciclo de refrigeración por compresión de Vapor.docxLuisaFiligrana1
Sumérgete en el fascinante mundo de la termodinámica con este libro innovador que te lleva a través de los intrincados detalles de los ciclos de refrigeración por compresión a vapor. Desde los fundamentos teóricos hasta las aplicaciones prácticas, esta obra cautivadora ofrece un enfoque accesible y completo para comprender cómo funcionan los sistemas de refrigeración que forman la columna vertebral de nuestra sociedad moderna. Descubre cómo estas máquinas ingeniosas manipulan las propiedades de los fluidos para crear entornos frescos y cómodos, desde los aires acondicionados que nos refrescan en verano hasta los sistemas de refrigeración industriales que preservan nuestros alimentos. Con explicaciones claras, ejemplos ilustrativos y desafíos conceptuales, este libro es una lectura obligada para estudiantes, profesionales y curiosos que desean desentrañar los misterios detrás del frío que transforma nuestro mundo.
1. UNIDAD 11
Generadores de Vapor
1. General
La generación de vapor para el accionamiento de las turbinas se realiza en instalaciones generadoras
comúnmente denominadas calderas.
La instalación comprende no sólo la caldera propiamente dicha, sino, además, componentes principales y
accesorios tales como:
Ø Economizadores y chimeneas.
Ø Sobrecalentadores y recalentadores.
Ø Quemadores y alimentadores de aire.
Ø Condensadores.
Ø Bombas y tanques de alimentación.
Ø Domos.
En la caldera propiamente dicha se produce el calentamiento, la evaporación y posiblemente el recalentamiento
y sobrecalentamiento del vapor. La caldera puede incluir en su estructura alguno de los componentes citados.
Las calderas se pueden clasificar según:
a) El pasaje de fluidos, en humotubulares o acuotubulares.
b) El movimiento del agua, de circulación natural o circulación forzada.
c) La presión de operación, en subcríticas y supercríticas.
Las calderas primitivas consistían en un gran recipiente lleno de agua que era calentado por un fuego en su parte
inferior. El gran volumen de agua en estado de ebullición generaba fácilmente situaciones de gran riesgo al excederse
la presión máxima admisible.
Para aumentar la superficie de contacto gas-metal, y disminuir la cantidad de agua en ebullición se crearon
primero las calderas humotubulares, en las que los gases de combustión circulan por tubos inmersos en el agua.
El próximo paso en el desarrollo fue la creación de las calderas acuotubulares, en las que el agua circula por
tubos que forman las paredes del hogar. De este modo se maximiza la transferencia de calor y se minimiza el
volumen de agua reduciendo el riesgo de explosión.
2. Calderas humotubulares
Son calderas pequeñas, comúnmente utilizadas para producir agua caliente para calefacción y proceso, aunque
las hay productoras de vapor de relativamente baja presión (hasta 12 atm).
Fig. 11.1: Caldera humotubular de un paso (Shield).
Las hay de uno o varios pasos de los gases por los tubos, de distintas configuraciones (fondo y/o piso
húmedo o refractario, compactas, verticales).
Si bien la limpieza de los tubos de humo es sencilla, requieren buena calidad de agua, pues la limpieza de los
tubos en su parte externa ( depósitos calcáreos) es dificultosa.
141
2. 3. Calderas acuotubulares
Los tubos de agua se unen y conforman para formar el recinto del hogar, llamado de paredes de agua. El recinto
posee aberturas para los quemadores y la salida de gases de combustión.
La circulación del agua puede ser natural, debida a la diferencia de densidad entre agua fría y caliente. El agua
en ebullición se acumula en un recipiente llamado domo donde se separa el vapor del agua:
Fig. 11.2: Caldera acuotubular de 2 pasos de humos y circulación natural (Shield).
Estas calderas son económicas por la ausencia de las bombas de líquido pero de baja producción de vapor
por la baja velocidad de circulación del agua.
Para obtener mayores caudales de vapor y mayores presiones se utilizan bombas de alimentación de agua,
pudiendo operarse incluso por encima del punto critico de la campana de vapor (21.7 Mpa = 220 atm)
La figura siguiente ilustra un circuito típico del tipo Benson. Si se añade una bomba de recirculación, para
mover rápidamente el agua en los tubos evaporadores, y un domo para separar el vapor se tiene el tipo Lamont.
142
3. Fig 11.3: Caldera tipo Benson (Shield).
4. Ciclos de vapor
El ciclo mas simple de vapor es el de Rankine:
Fig. 11.4: Ciclo Rankine simple
1-2: bomba de alimentación.
2-3: calentamiento de agua a p=cte.
3-4: ebullición a p y T =cte.
4-5: expansión en turbina, maquina de vapor.
5-1: condensación del vapor húmedo.
Este ciclo es inadecuado para turbomaquinas ya que el vapor húmedo (4-5) arrastra gotas de agua que dañan
rápidamente los álabes de las turbomaquinas.
Para evitar esto se continúa sobrecalentando el vapor seco a p=cte, lográndose el ciclo Rankine con
sobrecalentamiento o ciclo Hirn:
143
4. Fig. 11.5: Ciclo Hirn
Obtenido esto el circuito típico seria el de la figura:
Fig. 11.6: Generador de vapor típico.
Para maximizar el trabajo útil 4’-5 se pueden intentar diversos métodos:
a. Aumentar la p de operación (energía de la bomba, materiales)
b. Aumentar la T de sobrecalentamiento (materiales)
c. Recalentar
d. Reducir la presión del condensador.
El ciclo con recalentamiento consiste en extraer vapor de etapas intermedias de la turbina y volver a calentarlo a
p=cte en la caldera:
Fig. 11.7: Ciclo Hirn con recalentamiento
Con esto se logra un mayor salto entálpico sin exceder los límites impuestos por los materiales.
144
5. La presión de condensación es fundamental ya que no sólo controla el área del ciclo si no también asegura que la
turbina no opere con vapor húmedo en las ultimas etapas. El límite inferior está dado en general por la presión de
vapor del agua a la temperatura a que el condensador es capaz de enfriarla.
5. Condensadores
Son intercambiadores de calor que utilizan agua fría (de una corriente natural o enfriada en una torre de
enfriamiento)para enfriar y condensar el vapor de escape de la turbina.
Al ser el flujo caliente bifásico (vapor y liquido) su diseño y operación es muy complejo.
Se debe notar que como la bomba de condensado extrae el mismo caudal másico que entra, la presión queda
fijada por el cambio de volumen de vapor a líquido (del orden de 300/1), por lo que el condensador, y las últimas
etapas de la turbina, trabajan a presión inferior a la atmosférica.
La diferencia que esto puede producir es notable: del diagrama de Mollier (unidad 8) obtenemos sobre la curva
de vapor saturado (fin de la expansión, ingreso al condensador) para:
P=10 atm (T=180ºC), i=677 kcal/kg
P=1 atm (T=100ºC), i=640 kcal/kg
P=0.05 atm (T= 35ºC), i=613 kcal/kg
Si el punto de ingreso a la turbina fuera 10 atm, 800ºC (i=850 kcal/kg), el salto entálpico sería de 173, 210 o
237 kcal/kg (10% y 37%).
Al estar parte del circuito bajo vacío es inevitable que entre aire al circuito (y quizás otro gases no
condensables como CO2). Se hace necesario extraer estos gases del condensador que está bajo vacío. Esto puede
hacerse con bombas de vacío (costoso) o con eyectores de vapor. Una disposición típica sería:
Fig. 11.8: Condensador y eyector
Los eyectores pueden ser de uno o más pasos, condensando el vapor de eyección entre pasos:
145
7. Fig. 11.10: Eyector de 2 etapas con condensación intermedia (Gannio)
Los condensadores pueden ser de superficie o de mezcla.
a) Condensadores de superficie:
El agua fría circula por tubos y el vapor por el exterior de los tubos (mayor área de transmisión de calor)
El diseño busca minimizar las pérdidas de carga debidas al paso del vapor y aprovechar el intercambio entre el
liquido ya condensado y el vapor.
Parte del vapor puede utilizarse para volver a calentar el condensado a la salida, creando así un poco de
regeneración ( el agua que retorna a la caldera esta menos fría que lo estaba al condensar)
La figura siguiente ilustra una disposición típica:
147
8. Fig. 11.11: Condensador con regeneración (Gannio)
Se aprecia que los tubos de agua están más próximos a medida que el vapor se va enfriando y condensando
b) Condensadores de mezcla:
Cuando, aparte de la turbina, hay otros usos del vapor que hacen necesario reponer una cantidad sustancial de
agua, pueden utilizarse condensadores de mezcla, en los que el vapor condensa por contacto con el agua fría:
148
9. Fig. 11.12: Condensador de mezcla (Gannio)
Estos condensadores también pueden ser apropiados si hay abundante agua fría de buena calidad (arroyos de
montaña)
La condensación puede mejorarse pulverizando el agua fría:
Fig. 11.13: Condensador por pulverización (Gannio)
Existen también condensadores de mezcla barométricos, que aprovechan el peso de la columna de agua para
mantener vacío en el recipiente de mezcla:
149
10. Fig. 11.14: Condensador barométrico (Gannio)
6. Agua, aire, combustible
El agua del ciclo de vapor debe cumplir requisitos de limpieza en lo que respecta a minerales en disolución, que
causan depósitos en los tubos, y sustancias corrosivas (azufre, cloro, hidrógeno libre). Por lo tanto es necesario
minimizar las pérdidas de vapor para reducir el consumo de agua. Esto es particularmente importante en las calderas
de inyección directa (Benson) y humotubulares, donde el agua evapora dentro o sobre la superficie de los tubos. Las
calderas tipo Lamont, en las que el vapor se separa en el domo, admiten agua de menor calidad.
El aire para la combustión se alimenta por medio de sopladores de gran capacidad. Es común precalentar el aire
aprovechando el calor de los gases de chimenea y/o pasarlos cerca de las paredes inferiores o el piso de la caldera,
antes de llegar a los quemadores.
Las calderas pueden quemar casi cualquier tipo de combustibles sólidos (carbón, madera, residuos industriales o
urbanos), líquido (fuel oil, gas oil, diesel oil) o gaseoso (gas natural, gas de horno petroquímico, etc.). sin embargo en
nuestro país las grandes instalaciones productoras de electricidad funcionan casi exclusivamente con gas natural.
Las calderas mas pequeñas (calefacción, proceso) pueden funcionar a fuel oil o gas oil pesado, aparte del gas
natural.
El aire y el combustible se alimentan al hogar por quemadores, orificios circulares en el centro de los cuales se
inyecta el combustible. El aire ingresa por el sector anular, que está provisto de persianas ajustables para controlar el
caudal de aire.
150
11. El conducto de ingreso de aire suele tener forma de caracol para dar al aire una rotación que sirve para
estabilizar la llama y acortarla. También pueden haber alabes de guía para controlar la rotación.
En el quemador también se ubican sensores de llama, termocuplas, llamas piloto y otros controles y accesorios.
Fig 11.15: Quemador típico (Shield)
151