Calderas
Profesor: Gayol Materia: Maquinas Térmicas Alumna: Müller Especialidad. Técnicos en la Industria Alimentaría Curso: 5º Año: 2010
1- Calderas acuotubulares: Su principio y función Las calderas acuotubulares difieren de las calderas pirotubulares en que el agua circula dentro de los tubos con la fuente de calor rodeándolos. Esto significa que pueden usarse presiones más altas porque el diámetro del tubo es significativamente más pequeño que el cuerpo en la caldera pirotubular, y por consiguiente la tensión circunferencial también es significativamente menor. Las calderas acuotubulares suelen ser consideradas para altos rendimientos de vapor, para presiones altas o para vapor recalentado. Para la mayoría de aplicaciones industriales y comerciales, una caldera pirotubular es a menudo la más apropiada. Sólo es necesario usar una caldera acuotubular si se requiere un rendimiento individual superior a 27.000 Kg. /h o presiones superiores a 27 bar o temperaturas de vapor superiores a 340°C. La razón es que para un rendimiento dado, las calderas acuotubulares son de construcción más costosa que las calderas pirotubulares compactas. Sin embargo, por todo el mundo, las calderas acuotubulares compiten con calderas pirotubulares para tamaños inferiores a 270 bar. Para darnos una idea de la diversidad de calderas acuotubulares, las unidades varían entre aproximadamente 2.000 Kg. /h hasta las de 3.500.000 Kg. /h y superiores que impulsan las centrales eléctricas. Las unidades más pequeñas pueden fabricarse y entregarse al sitio en una pieza. Las unidades más grandes generalmente se fabrican en secciones y se transportan al sitio para un ensamblaje final. Las calderas acuotubulares trabajan con el principio de circulación de agua. Éste es un asunto que merece la pena estudiar antes de ver los diferentes tipos disponibles de calderas acuotubulares. El siguiente diagrama nos ayudará para explicar esta teoría.
El agua de alimentación fría se introduce en el calderín de vapor y baja por el tubo de bajada hasta el calderín de lodos, debido a que tiene una densidad superior a la del agua caliente. Su densidad disminuye cuando pasa por el tubo de subida, donde se calienta formando burbujas de vapor. El agua caliente y las burbujas de vapor pasan al calderín de vapor una vez más, donde el vapor se separa del agua. Sin embargo, cuando la presión en la caldera acuotubular aumenta, se reduce la diferencia entre la densidad del agua y el vapor saturado, por consiguiente hay menos circulación. Para mantener el mismo nivel de rendimiento de vapor según aumenta la demanda de presión, debe aumentarse la distancia entre el calderín más bajo y el calderín de vapor.
Distribuciones alternativas de calderas acuotubulares Las siguientes disposiciones trabajan con los mismos principios que otras calderas acuotubulares y están disponibles con capacidades de 5.000 Kg. /h a 180.000 Kg. /h.
Caldera con calderón longitudinal La caldera con calderín longitudinal era el modelo original de la caldera acuotubular que trabaja con el principio de temperatura y densidad de agua (ver la Figura 12). El agua de alimentación fría entra en un calderín colocado longitudinalmente sobre la fuente de calor. El agua fría baja por una tubería de circulación por la parte trasera a unos tubos inclinados que son calentados. Según aumenta la temperatura de agua y hierve, su densidad disminuye haciendo que circule el agua caliente y el vapor por las tuberías inclinadas de la tubería de circulación delantera entrando de nuevo al calderín. En el calderín, las burbujas de vapor se separan del agua produciendo el vapor para la planta. Las capacidades típicas para las calderas con calderín longitudinal van de 2.250 Kg. /h a 36.000 Kg. /h.
Calderas con calderón cruzado La caldera con calderín cruzado es una variante de la caldera con calderín longitudinal en la que el calderín se pone cruzado a la fuente de calor como muestra la Figura 13. El calderín cruzado funciona con el mismo principio que la del calderín longitudinal sólo que logra una temperatura más uniforme en el calderín. Sin embargo hay el riesgo de daños debido a la circulación defectuosa con demandas altas de vapor, ya que puede haber corrosión en los tubos superiores si se secan. La caldera con calderín cruzado también tiene la ventaja de poder utilizar un número mayor de tubos inclinados debido a su posición cruzada. Las capacidades típicas para una caldera de calderín cruzado van de 700 Kg. /h a 240 000 Kg. /h.
Caldera de tubos curvados o Stirling Una mayor evolución de la caldera acuotubular fue la caldera de tubos curvados o Stirling, mostrada en la Figura 14. De nuevo trabaja con el principio de la temperatura y densidad de agua, pero utiliza cuatro calderines en la siguiente configuración
El agua de alimentación fría entra en el calderín izquierdo superior, y baja hacia el más bajo, o calderín de agua, debido a una mayor densidad. El agua se calienta dentro del calderín de agua y las tuberías que une a los otros dos calderines superiores y se producen las burbujas de vapor que suben a los calderones superiores produciendo el vapor para la planta. El tubo curvado o la caldera de Stirling permite una superficie grande para la transferencia de calor y estimula la circulación natural del agua. Vapor sobrecalentado El vapor producido a la salida de una caldera pirotubular o del calderín de vapor de una caldera acuotubular sólo puede ser vapor saturado. La caldera acuotubular se usa a menudo para producir vapor sobrecalentado pasando el vapor saturado del calderín de vapor a través de otro juego de tubos dentro del área del hogar principal, donde se calienta más allá de su temperatura de saturación convirtiéndolo en vapor sobrecalentado. Donde se requiere vapor sobrecalentado es esencial tener una caldera que tenga tubos para el sobrecalentado.
2- Comparación de calderas humotubulares y calderas acuotubulares La generación de vapor a escala industrial cuenta con más de 200 años de historia. El primer siglo se caracteriza exclusivamente por calderas comparables con las actuales calderas humotubulares. En el año 1875, es decir, 106 años después de que James Watt inventase la caldera y la máquina de vapor, la empresa Steinmüller diseñó la primera caldera acuotubular, era una caldera con presión de 3 bar y una superficie de calefacción de 2,5 m. Desde entonces, el desarrollo de las calderas acuotubulares ha sufrido un espectacular cambio de rumbo en lo que se refiere a presión y capacidad. En 1927 entró en servicio la primera caldera Benson con una capacidad de 30 t/h a 180 bar y 450º C. Ya en los años sesenta, se diseñaron calderas supercríticas, con una presión superior a 350 bar y temperaturas de más de 600 ºC. En 1970 se consiguió una producción máxima de 1000 t/h. Sólo 5 años más tarde fue posible fabricar calderas de tubos de agua con capacidades de vapor de más de 2000 t/h. Debido al principio de diseño, no pueden conseguirse unas producciones tan grandes ni unos parámetros de vapor tan extremos en calderas humotubulares. Sin embargo, las calderas humotubulares son aún objeto de mejoras hoy en día. Algunos ejemplos de mejoras inicialmente implantadas por LOOS International es la introducción en 1953 de una caldera de tres pasos con cámara de inversión refrigerada por agua, el desarrollo de una caldera de doble hogar de combustión (1956) o los electrodos de seguridad para controlar el nivel mínimo de agua (1977). De esta manera, hoy en día pueden cubrirse con seguridad y de forma económica unas producciones de vapor de hasta 50 t/h casi exclusivamente mediante una única caldera humotubular. Dependiendo del tamaño, pueden alcanzarse presiones de hasta 32 bar y temperaturas de hasta 350 ºC en vapor sobrecalentado. La figura 1 muestra el diseño de una moderna caldera humotubular con doble hogar de combustión. Todos los aspectos mencionados anteriormente demuestran que los dos principios de diseño tienen su justificación. En términos generales, no es ni razonable ni posible sustituir un diseño por el otro en determinados casos claramente definidos. A veces, existen excepciones a esta norma. El objetivo del presente informe es proporcionar argumentos relacionados con la seguridad, aspectos de funcionamiento, características físicas y el coste para aquellos casos en los que puedan aplicarse ambos diseños.
Fig. 1: Caldera pirotubular de alta presión, diseño con doble hogar, de agua caliente 100 MW
Fig. 2: Transporte de una caldera acuotubular
35 t/h, 16 bar (fabricante: LOOS INTERNATIONAL)
1. Seguridad En algunos países en vías de desarrollo de Asia y de Sudamérica las calderas humotubulares no están demasiado extendidas. Los fabricantes locales de estas calderas proporcionan unos niveles de calidad que no alcanzan en ningún modo los niveles alemanes. Lo mismo puede decirse de los elementos de seguridad referidos al exceso de presión y a la falta de agua. En consecuencia, los niveles de seguridad son bajos. Debido al temor que producen las consecuencias catastróficas de la explosión de una caldera, se favorece el diseño acuotubular, dada la mayor capacidad de agua de las calderas humotubulares y también, a veces, debido a la actitud extremadamente conservadora de algunos proyectistas y empresas de ingeniería. Además de los factores de seguridad, un aspecto decisivo en los países antes citados es la escasa vida útil de las calderas humotubulares fabricadas en estos países. En la anterior República Federal Alemana, los últimos 20 años no ofrecen ninguna información relativa a accidentes de consecuencias graves en relación con las calderas humotubulares. Un factor decisivo para este balance positivo ha sido sin duda el sistema de electrodos destinado al control y limitación del nivel de agua en 1977 y la introducción de las Normas sobre el diseño de seguridad inherente para las calderas humotubulares en 1985. Un diseño de seguridad inherente implica la renuncia a ciertos materiales como el acero 19 Mn6, abandonar determinados principios de diseño (fondos de caldera soldados exteriormente, fijaciones con tirantes longitudinales para el anclaje de fondos), así como permitir la posibilidad de inspeccionar fácilmente el interior de la caldera, dejando un amplio espacio entre los componentes de la caldera que estén a temperaturas diferentes. Otro aspecto importante ha sido la introducción de la prueba hidrostática con presiones de prueba incrementadas, que constituye un método sencillo y a la vez muy fiable de evaluar el estado y la seguridad de las calderas humotubulares. Las normas citadas y los nuevos equipos han hecho posible la utilización de calderas humotubulares en Alemania sin accidentes de importancia durante más de veinte años. Lo anterior no se aplica totalmente a otros diseños de caldera. Siempre y cuando se observen las necesarias medidas de calidad en fabricación y diseño, las calderas humotubulares ofrecen un alto grado de seguridad y duración. Por lo tanto, las empresas de ingeniería y los usuarios deberían elegir únicamente aquellos fabricantes que se encuentren en disposición de presentar un gran número de plantas de referencia que hayan estado operando con seguridad y sin daños durante muchos años.
2. Aspectos de Funcionamiento Esta sección del informe trata de los requisitos de calidad del agua, del mantenimiento y de las revisiones periódicas de seguridad. La calidad del agua de la caldera y del agua de alimentación, es de gran importancia para todo tipo de calderas de vapor. Sin embargo, existen importantes diferencias económicas, por ejemplo- en los requisitos referidos a la calidad del agua. En el caso de las calderas acuotubulares, no es aconsejable su funcionamiento con salinidad en el agua, en la mayor parte de diseños [8]. En las calderas acuotubulares, la salinidad representa una conductividad del agua de la caldera de 2 <2500 μS/cm. En los flujos de calor locales >250 Kw. /m, se necesita normalmente agua sin sales, al objeto de evitar la obstrucción en los tubos y que impida la transferencia térmica. Estos requisitos sólo pueden ser satisfechos mediante la Instalación de complicados y costosos sistemas de tratamiento de agua. En principio, las calderas humotubulares pueden funcionar con salinidad en el agua (conductividad < 8000 μS/cm). No se producen efectos perjudiciales sobre la superficie de calefacción de la caldera, debido a los depósitos de sal. Pueden utilizarse sencillas plantas de descalcificación de agua para su tratamiento. El tipo de tratamiento de agua viene determinado por aspectos económicos, así como por la calidad del agua disponible. El factor decisivo es la duración de la amortización de los sistemas de tratamiento de agua de alta calidad, que puede resultar de una reducción en el volumen de desmineralización. Otra diferencia es el tamaño en relación con la capacidad térmica. Normalmente, las calderas humotubulares requieren menos espacio para similares capacidades. El mantenimiento puede llevarse a cabo de una forma más sencilla en las calderas humotubulares que en las acuotubulares. Esto se debe en gran parte a unos esfuerzos claramente menores durante la puesta en marcha y durante el paro, así como al fácil acceso a las superficies de calefacción. Lo mismo puede decirse en referencia a las revisiones periódicas. Para las calderas humotubulares fabricadas de conformidad con las anteriormente citadas normas de seguridad, se ha comprobado la viabilidad de un sistema muy sencillo, claro y económico; es decir, una inspección ocular de los principales componentes de la caldera, seguida de una prueba hidrostática bajo presiones de prueba incrementadas véase [3,5]. Esto permite evitar casi totalmente las revisiones de carácter no destructivo tales como las mediciones con ultrasonidos. En las calderas acuotubulares, no se han podido aplicar las pruebas hidrostáticas con presiones de prueba incrementadas, por diversas razones cuya discusión no forma parte del presente informe. Por otra parte, varias zonas de una típica caldera acuotubular son inaccesibles a la inspección ocular (zonas aisladas). Por lo tanto, es necesario hacer un uso muy amplio de las mediciones con ultrasonidos. 3. Características Físicas A continuación, se expondrán diversos aspectos que son el resultado directo de los respectivos principios de diseño: contenidos de agua, acumulaciones, características de la carga parcial. En relación con la capacidad térmica generada, la caldera humotubular contiene mucha más agua que la caldera acuotubular. Por lo tanto, la caldera humotubular es más resistente ante las fluctuaciones de vapor o demandas de vapor que excedan temporalmente la producción nominal de la caldera. Aparte de un aumento a corto plazo de la humedad del vapor, no cabe esperar otros efectos; no debe preverse una influencia negativa de la transferencia térmica. Este "comportamiento inofensivo” no es el característico de las calderas acuotubulares en virtud de su diseño. Las fluctuaciones en la presión tendrán una influencia inevitable sobre los cambios en la densidad. Dada su menor capacidad de agua, la caldera acuotubular puede utilizarse en diversos países como lo que se denomina "caldera producto”; es decir, su instalación puede llevarse a cabo más fácilmente. Un factor esencial en relación con la duración de las calderas de vapor es el número de arranques del quemador. En este sentido, es decisivo aparte de un ajuste adecuado de la caldera / sistema - también el nivel de carga mínima que puede producir la caldera. En el caso de ciertos diseños de calderas acuotubulares generadoras de vapor sobrecalentado, esta carga mínima se corresponde con la mínima capacidad técnica proporcionada por el quemador. En las calderas acuotubulares, la carga mínima del quemador no puede normalmente proyectarse a la caldera ya que la reducción del caudal másico en la zona de agua, influye negativamente sobre la transferencia térmica causando efectos no deseados de avería por calor excesivo, con un rango de flujos térmicos elevados. 4. Costes y Tiempo Siempre y cuando puedan cubrirse determinados requerimientos mediante diversos modelos de calderas humotubulares, la elección de una caldera humotubular representa una alternativa más económica, si los niveles de costes de fabricación y de calidad son comparables. Por otra parte, los plazos de entrega así como el tiempo necesario para instalar la planta son más reducidos. Por regla general, las calderas humotubulares ofrecen un mayor rendimiento que las calderas acuotubulares. Esto ocurre también mientras están funcionando ya que pueden someterse a operaciones de mantenimiento con facilidad durante su funcionamiento; es decir, las calderas humotubulares se caracterizan por una mayor economía también mientras funcionan. 5. Sumario Normalmente, las gamas de aplicación de las calderas humotubulares y las calderas acuotubulares están claramente definidas. Es sencillamente imposible utilizar una caldera humotubular para generar 1000 t/h de vapor a 180 bar y
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450ºC. Hasta una producción de aproximadamente 200 t/h, 32 bar y 350ºC, la mejor elección es, generalmente, el uso de una o más calderas humotubulares, debido a que son más económicas en su adquisición y mantenimiento. Los modernos procesos de fabricación y la observación de las normas relativas al diseño de seguridad inherente, permiten un alto grado de seguridad y duración. Los anteriores aspectos se encuentran resumidos en la tabla presentada.
Calderas tipo Wickers Calderas acuotubulares de tubos verticales - A este tipo, pertenecen la caldera conocida con el nombre de Wickers. Posee un colector superior de vapor y agua, del cual se encuentra suspendida una serie de tubos, que terminan en su parte inferior en un colector de agua. El hogar es lateral, existiendo entre los tubos una serie de diafragmas o pantallas que obligan a los gases a efectuar un camino ascendente y descendente, en forma alternada, a los efectos de obligarlos a estar más tiempo en contacto con el agua a vaporizar. La circulación del agua, por dentro de los tubos, se hace por diferencia de densidad, bajando el agua fría por la parte central de los tubos y ascendida el agua, a medida que se calienta, por la parte periférica de los mismos, sin que exista una pared divisoria que separe la circulación de ambos filetes líquidos. La presión de vapor suministrada por estas calderas, varia entre 10 y 25 atms. La superficie de calefacción en las calderas Wickers llega a ser de hasta 700m2, y la producción especifica varia entre 15 y 36 Kg. vapor / m2 X hora.
Calderas tipo Yarrow La caldera Yarrow ideada y construida por Alfred Yarrow en 1887 es de tipo acuotubular de circulación acelerada; la clásica es de tres colectores dos de agua en la parte inferior y el de vapor en la parte superior. Una disposición más moderna es la de cuatro colectores, uno de vapor y tres de agua entre dos de los cuales se encuentra el recalentador. Los tubos que unen el colector superior con los inferiores, poseen codos necesarios para que el encuentro se haga bajo un ángulo de 90º. Los colectores inferiores no están intercomunicados entre si. La circulación del agua fría y caliente, se produce por el interior de los mismos tubos, ascendiendo el agua que se calienta por la parte periférica y descendiendo el agua mas fría por la parte central de los mismos. La caldera Yarrow se impuso a las existentes por aquellos años por su simplicidad y en 1901 fue junto a las calderas
Babcock & Wilcox la usada en los grandes buques de guerra británicos La Babcock & Wilcox era más confiable, duradera y comparativamente mas sencilla de mantener. Sin embargo la caldera Yarrow era más ligera que la Babcock, más dócil al trabajo forzado, más sencilla de limpiar y más económica en cuanto a reparaciones y mantenimiento, pero también más antieconómica en cuanto a consumo de fuel. En diciembre de 1908 el Ingeniero Jefe de la División de Construcción Naval plantea dotar al Indefatigable con calderas Yarrow porque “ofrecen considerables ventajas para ahorrar peso y porque el centro de gravedad del buque con calderas Yarrow resulta más favorable y se debe tener en cuenta para el trimado del buque en determinadas condiciones de carga”
Foto Caldera de tres colectores
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Calderas tipo Babcock & wilcox
Compuesta de uno hasta tres colectores superiores de agua y vapor, unidos al haz de tubos rectos inclinados por ambos extremos y el colector inferior de impurezas. Pertenecen al grupo de las multitubulares El hogar es generalmente de parrilla mecánica, utiliza como combustible hulla menuda, la cual es depositada en la tolva avanzando al interior del hogar. Una vez penetrado al hogar, se destila quemándose los gases con llama larga; el coke que resulta se sigue quemando, hasta quedar solo ceniza y escoria. Los gases calientan primeramente la parte superior del haz tubular. El agua se inyecta a la cámara de agua del colector superior, bajando e iniciando así su calentamiento, poniéndose en contacto con la parte menos caliente de los tubos de agua. Se junta con el vapor que allí se forma y circulan activamente, favorecidos por la inclinación de los tubos. Se observa en este tipo de calderas la existencia de un nuevo elemento, el recalentador de vapor. El vapor, previa a su utilización, pasa por el recalentador, donde al ser calentado por los gases de combustión aumenta se temperatura, manteniendo su presión constante. En el recalentador, se transforma el vapor saturado en vapor recalentado. El objeto del recalentador, como se vara mas adelante, es tratar que el vapor llegue a la maquina de consumo los mas seco posible, evitando el peligro de condensaciones en el interior de la misma. Se agrupan en dos tipos: 1) Calderas de cabezales Fue de las primeras calderas que sustituyo a las Calderas tubulares (de tubos de llama) en los buques una variante de la caldera de cabezales fue la caldera de cabezales con tubos curvos que empezó a ser construida en 1930 para satisfacer la demanda de calderas con mayor vaporización con menor espacio y peso para la construcción naval, este tipo de3 caldera es de circulación acelerada
2) Calderas de colectores De éste tipo de calderas se han construido varios tipos que pueden clasificarse en: 1) Calderas de tres colectores 2) Calderas de dos colectores Entre las calderas de dos colectores tenemos la de hogar dividido en el cual una pared estanca divide la caldera en dos hogares en uno de los cuales se genera el vapor saturado y en el otro el vapor recalentado. En 1901 el Admiralty Boiler Comittee recomendó el uso de las calderas Babcock & Wilcox y las calderas Yarrow. Para su uso en grandes buques. Estos dos tipos de calderas fue usado exclusivamente en todos los cruceros de batalla británicos
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Calderas de radiación
Son enormes calderas acuotubulares, con una gran cámara de combustión, donde se quema generalmente combustible en estado liquido y gaseoso, el cual es introducido a presión mediante inyectores especiales. La transmisión del calor al agua se efectúa principalmente, por radiación, y solo en una pequeña parte por conveccion. Como a medida que aumenta la presión del vapor, la circulación de este, por termosifón, se hace cada vez más lenta, es necesario recurrir a la circulación forzada por medio de bombas adecuadas, ya sea para acelerar la circulación del agua o del vapor. Estas bombas constituyen un factor negativo desde el punto de vista de la potencia de la instalación, ay que para su funcionamiento requieren un cierto consumo de energía. Con el fin de asegurar el suministro adecuado de vapor, se recurre a la colocación de tres elementos que se van a encontrar casi siempre, tanto en estas calderas como en las calderas de alta presión. Estos tres elementos, que se utilizan todos como fuente calefactora los gases de combustión, son: El recalentador, o sobrecalentador, el economizador y el precalentador de aire.
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Calderas de Alta Presión
Estas calderas suministran vapor a elevadas presiones, desde 100 atms, hasta la presión de estado critico, vale decir, 225 atmósferas. Se trata, en general, de calderas acuotubulares, construidas por una gran cantidad de pequeños tubos, los que, en algunos casos, son de medida tan reducida que llegan a tener solamente algunos milímetros de diámetro. Por tratarse de calderas en donde el agua esta circulando a elevada velocidad, lo que se logra con bombas especiales de circulación que posee estas instalaciones, desaparece el rozamiento del agua contra las paredes de los tubos, y se hace que las pequeñas partículas de sales que pueda contener el agua en suspensión, no tengan tiempo suficiente para depositarse en el haz tubular, desapareciendo, aunque solo en forma parcial, el peligro de incrustaciones. Como se recurre a la circulación forzada del agua, no existe ningún inconveniente en darle a los tubos la disposición que mas convenga, pudiéndoselos colocar indistintamente en forma horizontal, vertical o con inclinación que las circunstancias lo exijan, ya que la fuerza ascensional del vapor, que pudiese oponerse a esta circulación, será fácilmente vencida por la acción de la bomba de circulación. Esto permite darle a estas calderas la forma más conveniente para el uso a que se le destine. Las calderas de alta presión se dividen en tres tipos, según la forma en que se realiza la producción del vapor. Estos tipos son:
a) Calderas de circulación forzada b) Calderas de inyección forzada c) Calderas de vaporización indirecta La vaporización especifica llega, en algunos casos, a ser superior a los 100 Kg. vapor / m2 X hora. No es difícil encontrar calderas de este tipo, en las cuales la superficie de calefacción excede los 1000m2. Calderas de circulación forzada – A esta clase de calderas pertenecen las tipo La Mont y la tipo Velox: Caldera La-Mont: Su característica sobresaliente es la circulación forzada a través de los tubos hervidores. El agua de la caldera pasa desde el tambor, que se coloca prácticamente fuera de la propia caldera, al tubo de aspiración de la bomba de circulación. Esta bomba vence los rozamientos a través de todo el circuito, incluyendo las pérdidas de carga en el distribuidor cuyos orificios distribuyen el agua de alimentación de alimentación de acuerdo con la absorción térmica, de cada tubo. La presión que debe vencer la bomba es la del rozamiento del agua en el circuito, unas 2,5 atmósferas, lo que representa un 0,5% de la energía producida por la caldera. Vamos a considerar ahora algunas de las ventajas de este tipo de caldera. Debido a la gran velocidad de circulación, es evidente que se reduce la posibilidad de formar incrustaciones. Por la misma razón, la caldera puede ponerse en presión en tiempo mucho menor; calentándose todas sus partes por un igual sin peligro de sobre tensiones de importancia. Pueden usarse diámetros menores de tubos y mayores longitudes de los mismos, consiguiendo mejor transmisión térmica y una importante disminución del peso total de la caldera. Además siendo el porcentaje de energía consumido por la bomba impulsora una parte pequeña de la producida por la caldera, incluso a presiones muy elevadas, el funcionamiento resulta económico en toda la zona de presiones hasta llegar a la crítica.
Caldera Velox En esta sección solo se dirá que la caldera Velox fue patentada por Brown Boveri & Co de Baden (Suiza) y es del tipo de las acuotubulares de circulación forzada, de recirculación con combustión a presión en cámara cerrada produciendo vapor recalentado a presiones normales y altas. Más adelante veremos un esquema de una caldera Velox y en detalle su modo de funcionamiento.
Calderas de inyección forzada – Pertenecen a este tipo de calderas la denominada caldera Benson. Caldera Benson: Fue fabricada por la Siemens-Schuckert y ha sufrido diversas modificaciones. Es la primera caldera proyectada para trabajar a la presión crítica (224 Kg. /cm2) o muy cerca de ella y se caracteriza por la ausencia de tambores separadores. Es una caldera vertical con hogar enfriado por agua, construido en forma helicoidal. El polvo de carbón, que es el combustible que se suele usar, se quema con dos mecheros verticales invertidos. Los gases de la combustión descienden hasta el fondo del hogar, se dividen y ascienden atravesando un economizador de radiación y otras superficies absorbentes de calor hasta el calentador de aire. Un ventilador de aspiración hace pasar los gases a través del calentador de aire y los descarga en la chimenea. El aire primario y el secundario para la combustión son suministrados por un ventilador de tiro forzado. El agua de alimentación entra por el fondo del hogar y pasa a través de un economizador caldeado por radiación. Luego pasa a la mitad superior de la cámara de combustión a través de la zona de radiación primaria, donde se calienta casi hasta, la temperatura crítica, abandona esta zona de radiación y entra en la llamada zona de convección, situada en una región de baja temperatura de humos. Éstos se encuentran a 980°C al entrar en la zona y salen de ella a 455°C. El agua de alimentación se ha convertido en vapor ligeramente recalentado a 377 °C y este vapor pasa a la zona de radiación secundaria del hogar, donde se prosigue el recalentamiento, que se termina en el recalentador de alta presión situado en el extremo inferior del segundo paso. Si se desea reca1entamiento intermedio en la máquina, puede instalarse un juego de serpentines recalentadores entre el recalentador final y la zona de convección. Son evidentes algunas de las ventajas de este tipo. La caldera forma un todo que puede colocarse en cualquier sitio, tiene una sola circulación y carece de recipientes costosos. Necesita regulación, puesto que es de pequeño volumen de agua y responde con presteza al mando de la combustión. La regulación se basa en que siempre debe existir una, relación constante entre el carbón, el agua y el aire. A carga constante el operador varía la relación entre estos tres elementos para conseguir una temperatura constante.
Calderas de producción indirecta de vapor – Las calderas de producción indirecta de vapor, llamadas también calderas de vaporización indirecta, se caracterizan porque el cuerpo vaporizados, es decir, el lugar donde se produce el vapor, se encuentra fuera del hogar de la caldera. A este tipo pertenecen la caldera Schmidt-Hartmann y la caldera Löffler. Caldera Schmidt-Hartmann Esta caldera tiene en realidad dos circuitos. Puede tener circulación natural o forzada, según lo requiera la presión de trabajo. El agua que sale del tambor separa dar se mantiene separada del agua de alimentación y se hace circular de nuevo. El agua de alimentación entra en los cuerpos cilíndricos principales de la parte superior y se vaporiza por el vapor producido en el primer circuito o circuito del separador. Este vapor, a presión inferior a la del vapor primario, se recalienta por convección y se envía a las turbinas. De hecho, esta caldera es un evaporador que usa vapor de un circuito para producir vapor en un segundo circuito. En los modelos de mayor presión se emplean boquillas u orificios para repartir el agua a los diversos tubos desde el calderín distribuidor. Se prevén amplias superficies para que la capacidad no quede demasiado afectada por la formación de incrustaciones en las paredes de los tubos.
Calderas Löffler Esta caldera fue desarrollada primeramente por la Corporación Siderúrgica de Vitkoviz, de Checoslovaquia. Fue el resultado de los intentos para conseguir mejor utilización del contenido térmico del vapor. Ella se llevó a cabo haciendo prácticamente posible generar y utilizar vapor a la presión, de 133 Kg. /cm2 y a la temperatura de 482°C. Posee un recalentador por radiación que envuelve al hogar; un recalentador por convección sobre el hogar; un calderín situado en un punto conveniente fuera del hogar; una bomba de alimentación; un economizador; un calentador del aire. Se usa una bomba de circulación de vapor para extraerlo del calderín y lanzarlo a través de los recalentadores de radiación y de convección, montados en serie, hasta una bifurcación en las tuberías tras la cual una parte del vapor, se destina al consumo y el resto se devuelve al calderín D. El vapor recalentado que ha pasado por la bifurcación y vuelve al calderín cede su recalentamiento y produce una cantidad adicional de vapor saturado. El agua de alimentación es introducida por la bomba, pasando previamente por el economizador y luego entra en la línea de vapor donde tiene lugar alguna evaporación; entonces, la mezcla de vapor y agua entra en el calderín por encima del nivel de agua del mismo. Tan sólo una pequeña parte del vapor procedente del recalentador por convección pasa a la corriente principal de vapor de consumo, volviendo el restante al calderón. Vamos a discutir algunas de las ventajas de este tipo de caldera. Todo el vapor se genera en recipientes no expuestos directamente al calor del hogar, conteniendo los tubos sólo vapor denso y seco a una' presión aproximada de 133 Kg. /cm2. Debido al gran consumo de vapor que se tendría con baja presión en la caldera, no es aconsejable el empleo de la caldera Loeffler a presiones inferiores a 105 Kg. /cm2. Se están haciendo ensayos para conseguir una, reducción en el consumo de vapor de la bomba de circulación, a fin de hacer practicab1e el trabajo con una presión de 50 Kg. /cm2. El bajo peso específico (3,36 Kg. /m3) hace económicamente posible la circulación del vapor por bomba, y la velocidad de circulación es tal que permite trabajar con escaso desnivel térmico entre el vapor y la pared metálica. Se consiguen una velocidad de 19 m/seg. y un coeficiente de transmisión de 180000 Kcal. por hora, m2 y °C, sin recalentar los tubos. La pureza del agua de alimentación es de importancia secundaria, pues no se presentan incrustaciones en los tubos, ya que todas las sustancias precipitables se depositan en el calderón fuera del hogar.
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Calderas tipo Velox
La caldera de vapor Velox es una caldera de circulación forzada con varias novedades interesantes, y parece ser una de las aplicaciones de más éxito de la turbina de gas. Un compresor, movido por turbina de gas, eleva la presión del aire de combustión hasta: 1,55 Kg. /cm2. En el mismo árbol se montan las bombas de circulación y de combustible, y el motor. La cámara de combustión va forrada con tubos verticales de unos 10 cm. de diámetro que contienen agua. Cada uno de estos tubos contiene tres pequeños tubos de una pulgada (25,4 Mm.) de diámetro a través de los cuales circulan los gases de la combustión a velocidades cercanas a los 250 m/seg.; estos tubos interiores son la parte de superficie de calefacción donde se obtienen enormes cifras de absorción térmica. El calor radiante del hogar por otra parte caldea por fuera los grandes tubos de envoltura. Los gases salen de la cámara de combustión a 1760°C y reducen su temperatura hasta los 800°C al pasar a través de los pequeños tubos interiores; puesto que a estos tubos siguen unos difusores, hay poca pérdida de presión. Los gases pasan entonces a los recalentadores donde su temperatura desciende a 480°C antes de alcanzar la turbina de gas. En ésta, la temperatura desciende hasta los 370°C y la turbina los 1anza al economizador a velocidades de unos 120 m/seg., descargando el gas a unos 93°C. La superficie de calefacción que rodea a la cámara de combustión va llena completamente de agua circulante, en cantidad de diez a veinte veces la de vapor que se genera. La mezcla de vapor y agua: se separa con ayuda; de un mecanismo semejante a un ciclón o separador centrífugo, pasando el vapor a un recalentador y descendiendo el agua a una cámara inferior que actúa como depósito de agua caliente. En el fondo de este depósito se acumulan los lodos y de allí pueden ser expulsados. El contenido de humedad del vapor al abandonar el separador centrífugo no debe exceder de 2%. Se asegura que a esta caldera no le afecta el agua dura, porque las substancias incrustantes permanecen en solución.
9- Tratamiento de aguas Uno de los componentes de mayor aprecio en una industria y que puede representar una buena parte de la inversión es el boiler o caldera. Existen industrias o servicios, que quedarían colapsados por una falla en la caldera hasta el punto de llegar a parar su producción, y su reparación o sustitución podría representar un costo considerable en su presupuesto, por lo que es esencial que la caldera opere en optimas condiciones. Una caldera con un mantenimiento adecuado y con un tratamiento químico adecuado en el agua de consumo puede llegar a operar sin problemas durante 20 o mas años. Una caldera básicamente es un recipiente de acero donde se quema un combustible y el calor generado en la reacción de combustión se transmite al agua liquida y se produce vapor de agua. Existen muchas variaciones respecto al tipo de caldera, presión de operación, tamaño y capacidad, entre otros, pero todas las variantes y tipos de ellas adolecen de los mismos problemas en lo referente a la calidad del agua, lo cual afecta la vida útil y la operación de la caldera. CALIDAD DEL AGUA EN UNA CALDERA: Los problemas más frecuentes en lo referente a la calidad del agua y que influyen en la operación de la caldera son: 1: Formación de depósitos: La incrustación es indeseable ya que al formar una capa en los tubos y demás componentes del equipo, evitan la transmisión efectiva del calor. Esto conduce a una baja eficiencia en la producción de vapor, disminuyendo la cantidad de vapor producido por unidad de calor generado, y también causa desgaste del tubo y accesorios por fatiga térmica ya que se requiere de mayor temperatura del metal en la parte expuesta a la flama, que cuando no existe incrustación y este desgaste térmico afecta también la vida útil del equipo Los depósitos se producen por sólidos suspendidos que el agua pueda contener y principalmente por formación de depósitos de sulfatos y carbonatos de calcio y magnesio, en mezclas complejas con otros componentes como sílice, bario, etc. Para evitar la formación de incrustaciones se deben remover los sólidos coloidales y materia suspendida que el agua contenga y ablandamiento o suavización del agua cruda antes de integrarla a la caldera. 2: Corrosión por Oxidación del metal: Los principales componentes de la caldera son metálicos. Los agentes que atacan el metal y lo disuelven son los gases corrosivos como oxigeno y bióxido de carbono. También la acidez del agua causa corrosión por lo que el pH debe mantenerse entre 9.0 y 11.5. El control del oxigeno disuelto es uno de los puntos críticos en la operación de la caldera. Las picaduras o áreas de desgaste localizadas en ciertas partes de los tubos de la caldera ocurre por la acción corrosiva del oxigeno. En el condensador del sistema, el bióxido de carbono se suma a la acción corrosiva del oxigeno y destruyen en poco tiempo el tanque del condensador si no son removidos estos gases.
3: Fragilización cáustica: Si la alcalinidad a la fenolftaleina que es la que se encuentra en forma de carbonatos es muy alta, pueden presentarse problemas de fragilzación del metal. Esta perdida de elasticidad, también puede ocurrir por frecuentes shocks térmicos en la caldera, al complementar sin calentamiento previo el agua de repuesto para compensar por las perdidas por fugas de vapor o por purgas de la caldera. 4: Formación de Espumas: esto ocurre cuando hay presencia de materia orgánica o de una gran cantidad de sólidos disueltos en el agua de la caldera. Para evitar la formación de espumas, se purga la caldera cuando en el agua se alcanza un cierto nivel preestablecido de sólidos disueltos. Otra acción preventiva consiste en tener un tratamiento externo del agua de alimentación para evitar la presencia de sólidos suspendidos de naturaleza orgánica, así como de grasas y aceites del equipo de proceso que puedan contaminar el agua. ACCIONES CORRECTIVAS: un buen operador de calderas puede controlar y compensar por los efectos indeseables del agua de proceso en la caldera. La adición de productos químicos como antiespumantes, secuestrantes de metales corrosivos, neutralizadores de gases corrosivos, modificadores de alcalinidad y pH, etc. Pueden exitosamente solucionar los problemas de danos y desgaste anormal de la caldera. Lo que puede ocurrir y es muy frecuente, es que el operador no cuente con un laboratorio de análisis químico de respaldo o no este capacitado adecuadamente para comprender que efectos tiene cada uno de los componentes químicos que acompañan el agua y no se implemente el tratamiento adecuado. Si el servicio de operación y mantenimiento de la caldera es externo, puede ocurrir que el prestador del servicio da la misma formulación en sus productos para el acondicionamiento y tratamiento interno de todas las calderas independientemente del análisis y composición del agua en particular, sea esta de una fuente propia como es un pozo o de la red municipal. SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA DE CALDERA CON AGUA DESMINERALIZADA: El concepto de desmineralizar el agua que se alimenta a una caldera tiene la gran ventaja de poder emplear una sola formulación o adición de sustancias químicas que protejan la caldera de la acción corrosiva e incrustante del agua de proceso, independientemente de la procedencia y calidad del agua. a: PROCESO DE ABLANDAMIENTO TRADICIONAL. En el proceso de ablandamiento con resinas cationicas, el calcio y el magnesio son intercambiados por iones sodio. En el proceso de ablandamiento la salinidad o contenido de sales disueltas en el agua no disminuye, de hecho se incrementa ligeramente ya que un equivalente de calcio Ca+2 pesa 20 gramos y un equivalente de sodio Na+ pesa 23 gramos. b: ABLANDAMIENTO CON MEMBRANAS. Para que el agua pueda ser procesada por membranas, previamente deberá tener un adecuado tratamiento externo, para garantizar la ausencia de sólidos y coloides en el agua a alimentar a la caldera. En el proceso de membranas, si éstas son de osmosis inversa, las sales son removidas y el permeado o producto solo contiene trazas de sales disueltas. En el proceso de membranas se remueven del agua de alimentación a la caldera componentes indeseables como: calcio, magnesio, fierro y otros metales, carbonatos y bicarbonatos, cloruros, sulfatos, etc., por lo que estos ya no precipitan en el calentamiento y evaporación del agua en la caldera. En el ablandamiento por membranas la salinidad disminuye debido a que no es una reacción de intercambio, sino un proceso de tamizado a nivel atómico y molecular que separa los iones en dos corrientes, una que es el producto sin iones disueltos y un rechazo que acarrea los iones que ya no contiene el agua producto y que originalmente contenía el agua de alimentación a la membrana. Al no tener sales el agua de alimentación no se requiere de las frecuentes purgas y la consiguiente reposición del agua desechada. Esto conduce a menor gasto se productos químicos y a menores pérdidas de calor por el agua caliente que se desecha en la purga. El agua desmineralizada es altamente corrosiva, por lo que es necesario neutralizar ésta y agregar sustancias químicas que suban el pH y tengan una acción protectora con el metal con el que estarán en contacto en la caldera.
ESQUEMA DE TRATAMIENTO: El esquema de tratamiento para un sistema de caldera con agua desmineralizada consiste en lo siguiente: el agua de la fuente de suministro pasa a través de un filtro de multimedia para remover partículas suspendidas y posteriormente por un filtro de micro filtración de 5 micrones que remueve las partículas de finos del agua a alimentar a la membrana. El agua de rechazo en las membranas puede tener un uso secundario, como en riego, limpieza de maquinaria y equipo, se puede integrar al agua de servicios generales, reinyectarse en el pozo, o como última opción desecharse al drenaje.
El agua producto sin sales pasa por una membrana Liquicel que remueve los gases disueltos entre ellos el oxigeno y bióxido de carbono, que son altamente corrosivos en las condiciones de operación de las calderas. El agua producto de las membranas y que ya no contiene sales se alimenta a la caldera pero antes se agrega un reactivo especialmente formulado que reacciona químicamente con el oxigeno residual del agua de proceso en la caldera, y lo convierten a una forma no corrosiva. También se deberá agregar una formulación para incrementar el pH del agua de alimentación y proteger el metal de la acción corrosiva del agua y componentes traza que pudiese haber en el agua que se procesa en el ciclo de calentamiento y evaporación en la caldera. Este esquema de tratamiento tiene las siguientes ventajas: 1: Protege la caldera de la corrosión. 2: No hay forma de tener incrustaciones por precipitación de sales insolubles y sólidos suspendidos 3: No hay formación de espuma en la caldera, lo cual afecta la calidad del vapor y causa problemas de operación en la caldera. 4: La formulación del producto que protege la caldera, no esta sujeta a variables en la composición del agua o a criterios del operador. Siempre es un mismo esquema de tratamiento independientemente de la naturaleza y calidad del agua de suministro o fuente de abastecimiento.
10- Descripción del funcionamiento de un precalentador de aire El objeto de los precalentadores de aire es calentar el aire que se envía al hogar para la combustión, aprovechando parte del calor contenido en los humos antes que éstos lleguen a la chimenea. El calor así recuperado, que vuelve al hogar, representa economía del combustible y le aumento del rendimiento de la caldera. Los precalentadores se colocan también en la parte posterior de la caldera, conjuntamente con el economizador, ubicandolos a ambos dentro de las paredes del hogar. El aire es aspirado a través del precalentador, y una vez que aumento su temperatura es impulsado hacia el hogar por el ventilador Las ventajas son: • Aprovechamiento de calor que en otra forma se perdería, lo que significaría aumento del rendimiento de la unidad generadora de vapor. • La combustión es más completa. • Aumenta la producción de la caldera. Las desventajas son: • Fuertes corrosiones del lado de los gases de la combustión. • La elevación de temperatura facilita la fusión de la escoria. Por esto puede haber problemas en la explotación de ciertos carbones para los cuales la temperatura de fusión (de las cenizas) no se alcanzaría sin el precalentador de aire, y es sobrepasada con el empleo de este aparato. Tipos de precalentadores a) Recuperativo, b) regenerativo. En el recuperativo, los dos fluidos están separados por una superficie metálica a través de la cual se transmite el calor. Según la forma de estas superficies se subdividen a su vez en precalentadores: a) Tubulares b) De placas En el tipo regenerativo, la superficie es calentada intermitentemente en ambas caras por los humos, y enfriada también intermitentemente en ambas caras, por el aire. Precalentadores tubulares: Un precalentador de aire tubular está constituido por un haz de tubos, como se indica, encerrado en una cubierta y con uno o más tabiques para obtener la circulación de los fluidos. Precalentadores de placas: Este tipo de precalentadores está constituido por elementos de chapas de acero, en forma de cajas, dispuestos uno a lado del otro, fig. 22 cada uno de ellos con cubiertas laterales para la entrada y salida de aire con espaciadores interiores y exteriores para mantener la distancia correcta entre placas y los elementos adyacentes y actuar simultáneamente como guías de las corrientes gaseosas. Precalentadores regenerativos El precalentador regenerativo continuo más difundido, en las instalaciones de calderas, es el Ljungtrom para ser empleado en la primera locomotora de turbina. Su principio de funcionamiento se trata de un rotor constituido por una masa de metal desplegado, con canales muy estrechos que es calentada, alternativamente, por los humos y es enfriada alternativamente por el aire. En cada vuelta de rotor, se cumple un ciclo completo de intercambio de calor.
11- Descripción del funcionamiento de un sobrecalentador Los Sobrecalentadores o llamados también indistintamente recalentadores de vapor, son elementos que permiten elevar la temperatura del vapor producido dentro de la caldera, manteniendo constantemente la presión del mismo; transforman el vapor saturado en vapor recalentado haciendo disminuir el peligro de que esté se condense dentro de la máquina, ya que le vapor que llega a la fuente de consumo lo hace en estado más seco. Mediante el empleo de recalentadores, se puede llevar la temperatura del vapor hasta 350 ºC aproximadamente. Los sobrecalentadores son de acero dulce, cuando la temperatura de recalentamiento no es superior a los 450 ºC, para temperaturas comprendidas entre 450 y 475 ºC, se usa acero dulce, al que se le agrega 0.5 % de molibdeno, para mayores temperaturas, se utilizan aleaciones de acero con bajo contenido de carbono, ya que este tipo de acero permite efectuar las soldaduras necesarias, sin necesidad de efectuar un precalentamiento previo del tubo. Existen dos tipos de recalentadores, el de radiación y el de convección. El primer tipo, el elemento calefactor lo constituye el calor radiado por la combustión. En el segundo caso, son los gases de combustión son los que ceden calor al vapor. En las calderas que requieres un gran periodo de puesta en marcha, es conveniente proteger los recalentadores mediante pantallas o registros especiales, hasta que la misma se encuentre en estado de régimen ya que, de los contrario, el calor producido puede llegar a fundir los tubos de los sobrecalentadotes. Los gases de combustión, que constituyen según ya se ha dicho, el elemento calefactor de los recalentadores, salen de estos a una temperatura proxima a los 250 ºC. En general, la supericie de los recalentadores se ahce, aproximadamente, igual al 40% de la superfice de calefacción de un recalentador, se debe dividir la cantidad de calorias necesarias para elevar la temperatura del vapor recalentado y por el promedio de las temperaturas de entrada y de salida de los gases de combustión y por el coeficiente de transmisión de calor de las paredes de los tubos del recalentador.
12- Descripción del funcionamiento de un economizador Los economizadores son serpentines en donde se calienta el agua que va a ingresar a la caldera, utilizando como elemento calefactor a los mismos gases de combustión. Al ser mayor la temperatura del agua que ingresa la caldera, menor será la cantidad de calor necesaria para producir su vaporización. Además al darle una mayor utilización a los gases de combustión, se consigue aumentar el rendimiento de la caldera. Se acostumbra en los economizadores llevar el agua hasta una temperatura de 40 o 50ºC por debajo de la temperatura de vaporización. Los humos, provenientes de los recalentadores, penetran en los economizadores a una temperatura proxima a los 250ºC y se enfrian hasta 180ºC aproximadamente. El material de los tubos de los economizadores depende de la presión a que se encuentra el agua que circula pro ellos. Así, para presiones de ahsta 25 atm., se utilizan tubso lisos de fundicion sin costura. Para persiones de hasta 60 atm. se usan tubos aletados, y para mayores presiones tubos de acero forjado sin costura, los cuales, en virtud de la alta resistencia que poseen, permiten reducir su espesor y obtener, con esto, elevados coeficientes de transmisión de calor. Es corriente que los economizadores sean ubicados en la parte posterior de la caldera, formando todo un conjunto con esta. Como la velocidad de circulación de agua, en los economizadores de tubos de fundicion es lisa, o en los tubos aletados, se toma de 0.1 hasta 0.2 m/seg. En cambio en los economizadores de acero forjado, la velocidad del agua alcanza hasta 0.5 m/seg. La velocidad de los humos dentro de los economizadores, varia entre 5 y 7 m/seg. Se puede decir, aproximadamente, que por cada dos grados en que se reduce la temperatura de los humos dentro del economizador, la temperatura del agua aumentara 1ºC. Los economizadores se clasifican en: • Integral, • tipo accesible, • de tubo continuo • y de prevaporización. Economizador integral Se emplean únicamente en las calderas acuatubulares de tubos curvados, y están constituidos por un haz semejante a los de la caldera, que se instalan en el último paso de convección. En estos economizadores el agua circula a baja velocidad debido al gran número de circuitos paralelos, por lo tanto la caída de presión del agua es pequeña. De ahí que no exista una circulación positiva del líquido ni una buena distribución del mismo. Economizador interior o exterior Se denomina economizador de exterior porque constituye una unidad no cerrada de la caldera y está soportando independientemente (fig. 17). En cambio el economizador de interior está instalado en la armadura de la caldera, directamente debajo de uno de sus domos y suspendido del mismo. Economizadores del tipo accesible En estos tipos de aparatos la unión entre dos tubos se efectúa por medio de codos con bridas (fig. 18 y 19) que una vez retirados, permiten efectuar la limpieza interior de los tubos. Se utilizan en los casos que el agua de alimentación, por no ser de la calidad requerida, produce incrustaciones y otros depósitos en los tubos. Economizadores del tipo de tubo continuo En este caso no existe acceso al interior de los tubos, utilizándose, por lo tanto, dicho modelo cuando el agua de alimentación es buena calidad no forma depósitos ni incrustaciones. Economizador de prevaporización En estos aparatos primero se calienta el agua hasta la temperatura de saturación del vapor, luego una parte de la misma se vaporiza en su recorrido final. El diseño del economizador-vaporizador debe asegurar el desplazamiento efectivo del vapor hacia la caldera, lo que se obtiene adoptando velocidades apropiadas del agua una unión amplia con la caldera.
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