Generador de Vapor Definiciones. Generador de vapor. Es el conjunto constituido por la caldera con uno, algunos o todos los siguientes siguientes aparatos intercambiadores intercambiadores de calor: a) Sobrecalentador. Sobrecalentador. b) Desobrecalentador. Desobrecalentador. c) Recalentador. Recalentador. d) Economizador. Economizador. e) Precalentador de aire. y cualquier equipo o planta auxiliar que sea necesaria para el adecuado funcionamiento de la unidad, excluyendo los equipos o instalaciones que no modifiquen el estado de entrega del combustible. combustible. IRAM-IAP A 25-5. Caldera. Es todo recipiente cerrado o instalación dentro de la que se genera vapor a una presión mayor que la atmosférica, mediante la acción del calor cedido por una fuente apropiada. IRMIAP- A 25-5. Una interpretación de este concepto es que la caldera es el conjunto de elementos integrantes del Generador de Vapor, donde específicamente se produce el cambio de estado, a expensas de calor suministrado por una fuente apropiada. La constituyen los tubos hervidores, el cuerpo cilíndrico y elementos que les vinculan. Caldera humotubular. Es una caldera en la cual los gases de combustión fluyen por el interior de tubos que se encuentran sumergidos en el agua de caldera. IRAM-IAP A 25-5. Caldera acuotubular. Es una caldera en la cual el agua y el vapor producido fluyen por el interior de tubos cuya superficie externa está en contacto con los gases calientes de la combustión. combustión. IRAM-IAP IRAM- IAP 25-5. Caldera de circulación natural Es toda caldera en la cual la circulación interna del agua se efectúa por termosifón. IRAM-IAP A 25-5. Caldera de circulación forzada Es toda caldera en la que la circulación interior del agua se efectúa por medios mecánicos. IRAM-IAP 25-5. Cuerpo de caldera Es la envolvente cilíndrica cerrada de las calderas humotubulares, en las que se produce la circulación del agua y se mantiene su nivel. IRAM-IAP A 25-5. ( Denominaciones Denominaciones alternativas : Cuerpo Cilíndrico- Domo) Cámara de agua Es el espacio del cuerpo de la caldera o del cuerpo cilíndrico ocupado por el agua (fase líquida). IRAM-IAP 25-5. Cámara de vapor. Es el espacio del cuerpo de la caldera o del cuerpo cilíndrico reservado para el vapor. IRAM-IAP 25-5. Hogar. Es el recinto destinado a la realización de la combustión. IRAM-IAP 25-5.
Pared de agua. Es la superficie de transmisión de calor instalada en el hogar que recibe calor principalmente principalmente por radiación y que no constituy c onstituyee pasaje de gases. IRAM-IAP 25-5. Hogar interior. Es el hogar cuando esta situado en el interior del cuerpo de la caldera (caldera humotubular). humotubular). IRAM-IAP A 25-5. Parrilla. Es el dispositivo con pasajes de aire donde se quema el combustible sólido, dentro de los hogares. IRAM-IAP A 25-5. Domo. Se denomina así a cada uno de los cuerpos cilíndricos mayores hacia los cuales convergen los tubos hervidores de las calderas acuotubulares y que sirven cómo colector de vapor y / o agua. IRAM-IAP A 25-5. Colector. Es un elemento de vinculación, similar al domo pero de sección transversal reducida IRAM-IAP A 25-5. Superficie de calefacción. M. Mesny citando al ASME detalla: Es la superficie de la unidad generadora de vapor destinada a la transmisión del calor expuesta por un lado, al gas o a los refractarios que deben enfriarse, y por el otro, al líquido que se calienta, medida del lado que recibe calor. El ASME amplía diciendo: a) Para los tubos totalmente expuestos o totalmente o parcialmente abarcados por el refractario, la parte de la superficie de los tubos expuestos al gas, o al refractario que deben enfriar. b) Para los tubos con superficies extendidas, la parte de la superficie del tubo y sus extensiones expuestas al gas que deben enfriar. c) Para los tubos protegidos por bloques rígidamente unidos por la cara expuesta a la combustión, la parte de la superficie de los bloques expuestos al gas que deben enfriar. Vapor normal. Es el vapor obtenido partiendo de líquido a 0 ºC vaporizado a 100 ºC. Su contenido energético es de 640 kca1/kg. Sirve como unidad de comparación para GV. que producen vapor de distintas d istintas calidades. Producción de vapor de un GV. Mide el gasto de vapor producido por un GV. detallando su presión y temperatura, ambos medidos en su punto de suministro. Se debe consignar la temperatura del agua de alimentación medida en el punto de recepción por el GV, y la calidad del combustible empleado. En esencia, mide la potencia térmica que el GV. es capaz de intercambiar con los productos de combustión. Sobrecalentador. Es un dispositivo que se emplea para elevar la temperatura del vapor saturado proveniente proveniente de la caldera sin s in aumentarle la presión. IRAM-IAP A 25-5. Desobrecalentador Es un dispositivo que se emplea para llevar el vapor sobrecalentado hasta prácticamente prácticamente la condición de saturado. IRAM-IAP A 25-5. .Atemperador Es un dispositivo que se emplea para reducir la temperatura del vapor sobrecalentado sobrecalentado al valor deseado. IRAM-IAP A 25-5. Recalentador Es un dispositivo destinado a elevar la temperatura del vapor que retorna al GV. luego de haber sido empleado en el receptor de vapor Por ejemplo, una Turbina de vapor. IRAM-IAP A 25-5. Economizador Es un dispositivo recuperador que se emplea para elevar la temperatura del agua de alimentación, aprovechando el calor de los gases antes de su salida por la chimenea. IRAMIAP A 25-5.
Pared de agua. Es la superficie de transmisión de calor instalada en el hogar que recibe calor principalmente principalmente por radiación y que no constituy c onstituyee pasaje de gases. IRAM-IAP 25-5. Hogar interior. Es el hogar cuando esta situado en el interior del cuerpo de la caldera (caldera humotubular). humotubular). IRAM-IAP A 25-5. Parrilla. Es el dispositivo con pasajes de aire donde se quema el combustible sólido, dentro de los hogares. IRAM-IAP A 25-5. Domo. Se denomina así a cada uno de los cuerpos cilíndricos mayores hacia los cuales convergen los tubos hervidores de las calderas acuotubulares y que sirven cómo colector de vapor y / o agua. IRAM-IAP A 25-5. Colector. Es un elemento de vinculación, similar al domo pero de sección transversal reducida IRAM-IAP A 25-5. Superficie de calefacción. M. Mesny citando al ASME detalla: Es la superficie de la unidad generadora de vapor destinada a la transmisión del calor expuesta por un lado, al gas o a los refractarios que deben enfriarse, y por el otro, al líquido que se calienta, medida del lado que recibe calor. El ASME amplía diciendo: a) Para los tubos totalmente expuestos o totalmente o parcialmente abarcados por el refractario, la parte de la superficie de los tubos expuestos al gas, o al refractario que deben enfriar. b) Para los tubos con superficies extendidas, la parte de la superficie del tubo y sus extensiones expuestas al gas que deben enfriar. c) Para los tubos protegidos por bloques rígidamente unidos por la cara expuesta a la combustión, la parte de la superficie de los bloques expuestos al gas que deben enfriar. Vapor normal. Es el vapor obtenido partiendo de líquido a 0 ºC vaporizado a 100 ºC. Su contenido energético es de 640 kca1/kg. Sirve como unidad de comparación para GV. que producen vapor de distintas d istintas calidades. Producción de vapor de un GV. Mide el gasto de vapor producido por un GV. detallando su presión y temperatura, ambos medidos en su punto de suministro. Se debe consignar la temperatura del agua de alimentación medida en el punto de recepción por el GV, y la calidad del combustible empleado. En esencia, mide la potencia térmica que el GV. es capaz de intercambiar con los productos de combustión. Sobrecalentador. Es un dispositivo que se emplea para elevar la temperatura del vapor saturado proveniente proveniente de la caldera sin s in aumentarle la presión. IRAM-IAP A 25-5. Desobrecalentador Es un dispositivo que se emplea para llevar el vapor sobrecalentado hasta prácticamente prácticamente la condición de saturado. IRAM-IAP A 25-5. .Atemperador Es un dispositivo que se emplea para reducir la temperatura del vapor sobrecalentado sobrecalentado al valor deseado. IRAM-IAP A 25-5. Recalentador Es un dispositivo destinado a elevar la temperatura del vapor que retorna al GV. luego de haber sido empleado en el receptor de vapor Por ejemplo, una Turbina de vapor. IRAM-IAP A 25-5. Economizador Es un dispositivo recuperador que se emplea para elevar la temperatura del agua de alimentación, aprovechando el calor de los gases antes de su salida por la chimenea. IRAMIAP A 25-5.
Calentador de aire. Es un dispositivo recuperador que sirve para elevar la temperatura del aire destinado a la combustión aprovechando el calor de los gases antes de su salida por la chimenea. IRAM-IAP A 25-5. Válvula de seguridad Es la válvula que entra en funcionamiento cuando las condiciones de presión de la instalación exceden los límites prefijados. IRAM-IAP A 25-5. ASME define a la válvula de seguridad como: es una u na válvula de alivio de presión accionada por la presión estática que obra a su entrada y caracterizada por una rápida apertura. Válvula de alivio Es una válvula automática que actúa por presión directa diseñada para una apertura precisa pero no instantánea, sino progresiva. IRAM-IAP A 25-5. ASME define a la válvula de alivio como: es una válvula diseñada para una apertura y cierre progresivo, luego que las condiciones de presión interna del recipiente han sido restauradas. Establece asimismo para ambas, que deberán ser precargadas directamente por la acción de un resorte. Presión de diseño del GV. Es la máxima presión de trabajo para la cual ha sido calculado el GV. IRAM-IAP A 25-6. Presión de trabajo Es la presión particular, a la cual el usuario opera el GV. G V. (no podrá superar la p. de diseño). IRAM. Presión de sellado Es la presión a la cual se regula y sella la o las válvulas de seguridad de la caldera (no podrá superar la presión de diseño). IRAM-IAP A 25-6. Superficie de calefacción de la caldera c aldera Es toda superficie intercambiadora de calor ca lor en contacto, de un lado con el agua o vapor húmedo, que recibe calor y del otro con el gas o refractario que cede el mismo, en el cual el fluido que recibe calor forma parte del sistema en circulación. Esta superficie se mide del lado en contacto con el fluido o elemento que cede calor. IRAM-IAP A 25-6 (es el mismo concepto que el definido anteriormente por el ASME). Superficie de calefacción del economizador economizador Es el área de todos los elementos del economizador en contacto por un lado con los gases calientes y del otro con el líquido o vapor húmedo; se mide del lado de los gases. IRAM-IAP A 25-6. Superficie de calefacción del sobrecalentador Es el área de todos los elementos del sobrecalentador, en contacto de un lado con los gases calientes y del otro con el vapor. Se mide del lado en contacto con los gases. IRAM-IAP A 25-6. 25- 6. Superficie de calefacción del Recalentador. Es el área de todos los elementos del recalentador que están en contacto, por un lado con los gases calientes, por el otro con el vapor. Se mide del lado en contacto con los gases. IRAM-IAP A 25-6. Superficie de calefacción del Calentador de Aire Es, excepto en los calentadores regenerativos, el área de todos los elementos del calentador en contacto, de un lado con los gases calientes, y del otro con el aire de combustión. Se mide del lado en contacto con los gases. En los calentadores regenerativos, donde las superficies están alternativamente en contacto con el gas y el aire, se multiplica el área total de todos los elementos por la proporción continuamente en contacto con los los gases calientes. IRAM-IAP A 25-6.
Superficie de calefacción calefacción del Generador Generador de Vapor. Es la suma de las superficies superficies de calefacción de la caldera, el sobrecalentador, el recalentador, el economizador, si existen todos o algunos de dichos dichos dispositivos. IRAM-IAP A 25-6. Carga térmica del hogar Es el cociente entre la cantidad de calor que puede desarrollarse por hora empleando el poder calorífico superior, superior, (Hs), y el volumen del hogar. IRAM-IAP A 25-6. Rendimiento de la caldera Es la relación entre la cantidad de calor absorbido por el vapor, en las calderas de vapor, y el agua en las calderas de agua caliente y la cantidad de energía liberada en una hora por la combustión, indicando el poder calorífico utilizado. IRAM-IAP A 25-6.
volución del Diseño del Generador de Vapor. E volución En esencia, un generador de vapor de GV. es un intercambiador de calor en el cual los productos de combustión, es decir los quemados, ceden su energía térmica al agua contenida dentro del mismo. Este intercambio de calor corresponde a la expresión Q = A . U . tm donde : Q: Calor intercambio en la unidad de tiempo. A: Superficie de intercambio (en nuestro caso la superficie de calefacción). U: Coeficiente total de transf. térmica.
tm.: Diferencia media logarítmica de temperatura entre los gases y el agua. En este capítulo se analizarán las modificaciones principales que se fueron efectuando en el diseño de lo GV. Estas modificaciones en un principio obedecían más bien a posibilitar su ejecución con los medios que les proporcionaba la tecnología de la época, más que a consideraciones temodinámicas. Desde el momento en que Newcomen concreta la idea de una máquina térmica que utiliza vapor de agua como fluido intermediario, puede decirse que nace la necesidad de disponer de un GV. Inicialmente el GV. tenían al hogar formando un cuerpo que era exterior a la caldera. La combustión se realizaba en el hogar y luego los quemados ingresaban a la caldera. Empleaban cobre como material básico, atento a la facilidad y posibilidad mediante el caldeo de resolver las uniones. Lógicamente las presiones de generación eran reducidas limitándose a valores próximo a 1 bar efectivo.(Fig. 1) Cuando la tecnología dominó el proceso de fusión del hierro, el cobre fue reemplazado por fundición de hierro. Pero es recién cuando se está en condiciones de elaborar chapas de acero de bajo tenor de carbono cuando se inician grandes adelantos en la fabricación de GV. Restaba resolver las uniones, ya que este material dificultaba la posibilidad de hacerlo por caldeo. Nace
la técnica del remachado. Otro limitante del diseño, era la posibilidad de fabricar tubos de reducido diámetro. Como resultado de estas limitaciones las ejecuciones a fines de siglo pasado, consistían en un gran cuerpo cilíndrico cuyos extremos eran cerrados con fondos abovedados. Las uniones con remachadura. La característica de estos GV. eran de Gran Volumen de Agua. F ig. 1 GV. de Gran Volumen de Agua.Como se anticipara consistía en un cuerpo cilíndrico con fondos abovedados. El cuerpo cilíndrico estaba integrado por anillos (virolas) de un ancho de aprox. 1,50 m. A fin de posibilitar su ensamble, las virolas tenían diámetro interior tal que posibilitaba la inserción una dentro de otra. (Fig. 2) Se las vinculaba por remachado. Los fondos abovedados se forjaban a mano. Estos GV. se llenaban de agua hasta un 50 % el resto constituía la cámara de vapor. Disponían en su parte central superior, de un cuerpo cilíndrico en T que cumplía las veces de separador de gotas. Se llamaba Domo. Debido a estos elementos, más adelante cuando se prescinde de ellos, al cuerpo cilíndrico que también cumplía la función de separador de gotas, por extensión se le llamó domo. Para obrar de separador de gotas, su sección transversal debía ser tal que la velocidad de ascenso del vapor a máxima producción, fuese reducida. A menor velocidad de ascenso del vapor, menor el diámetro de gota capaz de arrastrar., por lo tanto mayor el título. La superficie de calefacción correspondía al área del cuerpo cilíndrico que estaba en contacto con el líquido, pero medida lado gases. Para aumentar la superficie de intercambio en procura de incrementar la producción de vapor, era necesario aumentar el diámetro o su longitud. Incrementando el diámetro, debía incrementarse el espesor, para una misma presión interior. Esto estaba limitado por la tecnología de entonces. Tanto de fabricación de la chapa con por el rolado de las virolas. Es así que los diámetros máximos del cuerpo cilíndricos eran próximos a 2,40 m. y una longitud de 10 metros. Incrementar la longitud también les resultaba inconveniente. Se generaban problemas derivados de dilatación diferencial. Este efecto se originaba por desigual calefacción por el extremo por donde ingresaban los quemados, y el otro por donde egresaban e iban a chimenea. A raíz de esta diferencia el cuerpo cilíndrico se distorsionaba apareciendo esfuerzos mecánicos que se sumaban a los ejercidos por el vapor. Como su magnitud no era previsible en forma precisa, las explosiones eran lamentablemente frecuentes. Las consecuencias eran de tremenda magnitud consecuencia de la energía de la gran masa de agua encerrada. La combustión que se hacía en un hogar anterior recorría luego la pared exterior del cuerpo cilíndrico y salía a chimenea por el otro extremo. Los gases resultaban confinados entre la pared exterior del cuerpo cilíndrico y una construcción paralela de mampostería refractaria. La combustión obligadamente debía llevarse a cabo con elevado exceso de aire para reducir la temperatura final de combustión. De este modo el efecto de dilatación diferencial se reducía. Esta solución presentaba dos inconvenientes: disminuía el rendimiento térmico y el valor de Atm. Como el desplazamiento de los quemados era paralelo a la pared del cuerpo cilíndrico, era de escasa turbulencia y como el coeficiente de película lado gases es decenas de veces menor que
el del lado agua, resulta ser un "factor controlante" del proceso de intercambio térmico. Luego el valor de 'U' resultaba reducido al igual que tm. con ello la vaporización específica. En los diseños más avanzados la presión máxima de régimen era de 6 bar, saturado y la vaporización específica del orden de los 15 kg. de vapor/m²-hora. El rendimiento térmico del 50 %. Las unidades de este tipo con dimensiones límites, la superficie de calefacción es de 40m² lográndose un gasto de vapor de 600 kg/h. Los GV. resultaban tan elementales que el concepto de caldera y GV. se confunde. Dado su gran volumen de agua, la inercia térmica para los arranques desde la condición de fría, requerían aprox. 24 hs. para evitar excesivas dilataciones diferenciales. Con el objeto de incrementar la superficie de calefacción, se incorporaban cuerpos cilíndricos de menores diámetros vinculados al principal tal como ilustra la Fig. 3. Este artificio introducía riesgosos esfuerzos adicionales difíciles de prever con los conocimientos del cálculo de la época. Las fallas estructurales obligaron a la búsqueda de nuevas soluciones. Un primer avance de importancia consistió en el agregado de un hogar interior. Fig. 4. Este consistía en un tubo de acero corrugado. La razón de esta geometría se fundamenta en la mayor elasticidad del tubo. Ello era menester por cuanto al desarrollarse en su interior la combustión, dilataba en mayor grado que el cuerpo cilíndrico. La dilatación diferencial era absorbida por el fuelle del tubo, sin que el esfuerzo axial fuese excesivo. Caso contrario se habría de sumar éste al ejercido por el vapor. La combustión se iniciaba en el extremo izquierdo del hogar. Se desplazaba hasta el otro extremo, donde salía y recorría por el exterior al cuerpo cilíndrico, pero de un solo lado. Alcanzando nuevamente el extremo izquierdo, el cierre de mampostería le permitía acceder al otro costado del cuerpo cilíndrico y recorrerlo hasta el extremo a la derecha para salir luego por chimenea. Efectuaba 3 pasos. Uno por dentro del hogar, dos por fuera del cuerpo cilíndrico. La colocación del hogar dentro de la masa líquida genera una activa corriente turbulenta. La geometría corrugada introducía mayor turbulencia a los gases aumenta el coeficiente de película lado gases. Como el hogar estaba simétricamente enfriado por la masa de líquido, fue posible la combustión con menor exceso de aire lo que aumentó Atm. y la eficiencia del GV. De este modo se alcanzaron vaporizaciones específicas de 20 kg/hora-m². Por otro lado la superficie de calefacción se incrementaba en el área exterior del hogar. Como su diámetro medio era de 1 metro o sea una superficie externa de 30 m², sumada a la del cuerpo cilíndrico totalizaba 70 m². El gasto resulta de 1400 kg/hora. El diámetro exterior del cuerpo cilíndrico quedó limitado al valor dado por cuanto las razones dadas no variaron. F ig. 4
G ENERA DO RES D E V AP O R HUMOTUBUL ARES Visto el éxito de alojar en la cámara de agua a dos hogares cilíndricos, nació la idea de incorporar además tubos de menor diámetro, comprendidos entre 2 y 3 pulgadas, que la tecnología de esa época era capaz de proporcionarlos. Se obtiene de esta manera un generador de vapor HUMOTUBULAR llamado así por cuanto los productos de combustión se desplazan por el interior de tubos tal como ilustra la Fig. 5. Generador de vapor humotubular moderno.
El generador de vapor de la Figura 6 está constituido estructuralmente de la siguiente manera: Cuerpo cilíndrico. Fondos planos. Hogar. Cámaras de inversión. Haces tubulares. La combustión se desarrolla y completa dentro del hogar. Este es constituido por un cuerpo cilíndrico corrugado que se extiende y vincula al fondo plano anterior con la cámara de inversión posterior (Primer paso de los gases productos de combustión). Un haz tubular vincula la cámara de inversión posterior con el fondo plano anterior (Segundo paso de los quemados). Finalmente otro haz tubular vincula al colector de los quemados situado sobre el fondo anterior, con un colector de quemados sobre el fondo plano posterior. Desde éste los quemados se dirigen a la chimenea. Se ha descripto así a un GV. humotubular de tres pasos, con cámara de inversión húmeda. Algunos diseños solo tienen dos pasos y la salida de quemados a chimenea se verifica por el frente del GV. También los hay de 4 pasos. El más frecuente es de 3 pasos. Los fondos del cuerpo cilíndrico son planos y se vinculan al cuerpo cilíndrico mediante soldadura eléctrica. Como este tipo de fondo no es apto para soportar los esfuerzos de flexión que le produce la presión interior, la vinculación con los haces tubulares que obran de riostras, le permiten satisfacer las solicitaciones mecánicas. Así mismo incorporan refuerzos interiores para colaborar a soportar el momento flector (máximo) que se presenta en la unión del fondo con el cuerpo cilíndrico. Los refuerzos vinculan el fondo con el cuerpo cilíndrico, se denominan cartelas. En algunas construcciones el fondo plano tiene un reborde perimetral que le otorga al fondo la denominan Dish (fuente). El haz tubular que vincula la cámara de inversión con el fondo anterior, se une mediante mandrilado y soldadura. El segundo haz tubular como opera a menor temperatura, se vincula a los fondos mediante mandrilado. En algunos diseños más económicos, la cámara de inversión en vez de estar totalmente sumergida en el líquido (por ello la denominación de húmeda) está colocada sobre el fondo posterior revestida interiormente con ladrillos refractarios. Inconveniente, impone mayor mantenimiento. El colector de quemados colocado sobre el fondo anterior y sobre el posterior lleva una tapa abulonada que puede removerse a efecto de permitir pasar cepillo al tercer y segundo haz tubular, para la limpieza de hollín o cenizas. El colector de quemados anterior, se aísla mediante placas de amianto. Las tapas abulonadas van abisagradas lo que les permite, removiendo los bulones, abrirse como una hoja de puerta soportando su peso y facilitando de esta manera la operación. El cuerpo cilíndrico y sus extremos se aíslan con una capa de 10 a 15 centímetros de lana mineral. El aislante se coloca en forma de colchoneta semi-rígida y lleva como protección mecánica un forro de chapa galvanizada de espesor del orden de 1,2 mm. unida mediante remache tipo Pop o tornillo de chapa tipo Parker.
Sobre los costados del cuerpo cilíndrico y en la parte superior de éste, el GV. dispone de agujeros de hombre que posibilitan el ingreso para efectuar inspecciones. Estos agujeros de F ig. 6 hombre son elípticos con diámetro mayor del orden de 450 mm. Llevan una tapa que cierra desde adentro para afuera. De esta manera, la presión interior colabora para el cierre. La hermeticidad se logra mediante una junta de amianto. La cámara de inversión húmeda, se vincula al fondo plano posterior mediante riostras macizas soldadas. Estas tienen de 15 a 20 mm. de diámetro. Así mismo se vincula mediante un tubo de 200 a 350 mm. de diámetro que sobre el fondo posterior lleva una tapa sujeta con resortes. Ello constituye una válvula de soplado al exterior, en el hipotético caso que dentro del hogar tenga lugar una ligera sobrepresión ocasionada por combustión pulsante o explosión aislada en el caso de pequeñas acumulaciones de combustible. Se verá más adelante como se evitan con un barrido con aire. El cuerpo cilíndrico dispone en su parte inferior de dos apoyos tipo cuna que le soportan sobre una estructura tipo plataforma construida con perfiles de acero, que finalmente apoya sobre el terreno. La presión que se ejerce sobre éste es reducida y no impone de cimentación especial. El GV. apoya directamente sobre el piso, no requiere ser anclado. El nivel de agua dentro del cuerpo cilíndrico debe SIEMPRE SOBREPASAR el haz tubular y a la cámara de inversión húmeda. Es decir a TODA LA SUPERFICIE DE CALEFACCIÓN asegurando de esta manera un límite a la temperatura de trabajo del tubo. Generalmente le sobrepasa unos 200 mm. como máximo y 100 mm. como mínimo. De esta manera, la cámara de líquido ocupa 4/5 del diámetro aproximadamente, y la cámara de vapor 1/5. A primera vista la cámara de vapor puede aparecer como exigua. Pero con ello es suficiente para proporcionar un vapor con baja humedad tal como se pretende. La cámara de vapor no cumple funciones de acumulador de vapor. Estos generadores entregan un vapor con título de aproximadamente 0,95 a 0,98 según el grado de carga. Cuando mayor sea la carga del GV. es decir el gasto de vapor que suministra, tanto menor será el título del vapor. A mayor carga mayor velocidad del flujo de vapor en la cámara de vapor. Por lo tanto mayor será el tamaño de gotas que arrastrará consigo. F igs. 9 y 10 Cuando se desea vapor sobrecalentado se agregan serpentines en los colectores de quemados anteriores, Fig. 7 y 8 o en la cámara de inversión Fig. 9 y 10. Cuando el grado de sobrecalentamiento es reducido, se colocan en los colectores anteriores. Cuando el grado de sobrecalentamiento es mayor se emplea la cámara de inversión. Los colectores de quemados anteriores son dos. Captando cada uno de ellos la mitad de los tubos del primer y segundo haz. Luego el sobrecalentador ocupa ambas cámaras debiendo vincularse exteriormente. Fig. 11. Normalmente el sobrecalentamiento no supera los 350°C. Este diseño de GV. resulta económica su construcción para presiones del orden de las 20 a 25 bar y superficies de calefacción del orden de los 500 m² (20 ton. de vapor / hora). Para esta superficie el cuerpo cilíndrico es de aproximadamente 3200 mm. de diámetro exterior y 6 metros de longitud. El espesor de pared del cuerpo cilíndrico resulta para este caso de 28 mm empleando acero SA 515 Grado 70. Atento al reducido volumen de agua comprendido entre su máximo y mínimo nivel el suministro debe ser totalmente automático. Ello se lleva a cabo mediante un dispositivo de
flotante Fig. 12 que mediante un vínculo magnético acciona un microcontacto que sirven para energizar el motor de la bomba de agua de alimentación del GV. Cuando el nivel del líquido alcanza su valor máximo, corta el suministro. Al alcanzar el nivel mínimo, inicia el suministro. Sistema: Si-No. El mismo flotante tiene otra función. Si alcanzado el nivel mínimo por cualquier circunstancia que sea, éste continúa disminuyendo, el flotante mediante vínculo magnético, actúa sobre un micro contacto que abre el circuito eléctrico general que alimenta al GV. deteniéndolo y advirtiendo en un tablero de señalización de fallas, la causa que provoca la interrupción del servicio. El quemador no podrá entrar en servicio hasta tanto no se haya restablecido el nivel, mediante enclavamiento eléctrico. El sistema de alimentación de agua dispone además de otro escalón de seguridad, el segundo. Lo constituye un electrodo que sumergido en el líquido cierra un circuito eléctrico. Cuando el nivel de líquido es inferior al mínimo, el electrodo queda fuera de la cámara de agua, no cierra el contacto y se detiene la marcha de la unidad. En un tablero de señalización de fallas se indica el motivo de la detención. El sistema constituye realmente un segundo escalón de seguridad por cuanto es totalmente independiente del sistema de flotante. F ig. 11 F ig. 12 El agua es suministrada por la bomba de agua de alimentación del GV. e ingresa en forma de lluvia por la cámara de vapor, evitando hacerlo próximo al cuerpo cilíndrico para evitar shock térmico. El calor cedido por el combustible en el hogar, produce unas corrientes convectivas internas tal como las ilustra la Fig. 13. Ascendentes por el sector central y descendentes por los laterales. Para ello los bosques de tubos tienen adecuadas separaciones para favorecer la convección natural. En gris claro el haz de tubos del segundo paso en más oscuro el haz del tercer paso de tubos. En la parte inferior y posterior del cuerpo cilíndrico el GV. dispone de una descarga de agua (Fig. 6) para posibilitar el vaciado y purga del GV. Con cierta frecuencia debe apelarse a la descarga violenta de agua por esta vía para mantener la concentración de sales en el agua de caldera y para eliminar los barros que se depositan en el fondo. Con más detalles se verá en tratamiento de agua. Todo GV. debe disponer de 2 tubos de nivel que permitan visualizar el nivel de líquido en el interior del cuerpo cilíndrico. Los niveles se conectan en la parte superior con la cámara de vapor, y en la inferior con la de líquido. Disponen de válvulas de cierre para permitir el recambio de los vidrios. Así mismo de una tercera válvula para purgar el nivel (limpieza interna). La descarga va a cloaca. La reglamentación exige también 2 válvulas de seguridad que se colocan conectadas a la cámara de vapor. La capacidad de cada una es tal que es capaz de descargar todo el vapor generado a máxima capacidad del GV. sin que la presión se incremente por sobre el valor nominal en el orden de 0,2 bar. (aprox.). La presión interior es medida mediante un manómetro que debe ser contrastado periódicamente. Las válvulas de seguridad deben ser tipo resorte no se aceptan las de contrapeso. El resorte que regula la presión de escape, va encapsulado con una cubierta para evitar su retimbrado, y asegurado con candado o precinto. Se deben ensayar periódicamente. El timbrado de la válvula de seguridad queda a cargo del inspector estatal. F ig. 13 Generador de vapor humotubular. UTN FRSF- TECNOLOGI A DEL CALOR pag. 6/13
A medida que aumenta la antiguedad del GV. la presión de timbrado se disminuye de acuerdo a la legislación del lugar. Ello como medida de seguridad. Ensayos periódicos también se deben efectuar al sistema de alimentación automática de agua. Consiste uno de ellos en purgar las cañerías que vinculas al flotante a las cámaras de líquido y vapor. Para ello en el fondo el flotante tiene una tercer válvula que al abrirse descarga fluido a cloaca. Según esté abierta la válvula que conecta el flotante a la cámara de vapor o líquido, será el ramal que se purgue. Al purgar el flotante la caldera saldrá de servicio por cuanto aparentemente se ha quedado sin líquido. Se ha comprobado el funcionamiento en este aspecto. Estos GV. son aptos para la combustión de sólidos -líquidos y gases. En nuestro país el combustible sólido que con más frecuencia se emplea en estos GV. es la madera proveniente de residuos industriales, aserrín, despuntes y leña. Las unidades pequeñas con producciones de vapor del orden de 1 ton/hora suelen quemar leña fraccionada en forma grosera en piezas de aprox. de 2 kgs. de peso máximo. Los trozos se arrojan dentro del hogar corrugado, tras lo cual se cierra éste con una puerta. Las cenizas caen al piso exterior del GV. a través de unos tubos de 100 mm. de diámetro aprox. que vinculan el hogar con el cuerpo cilíndrico. Bajo éste se coloca una bandeja a modo de cenicero. El aire para la combustión lo proporciona un ventilador que se coloca aguas arriba inmediatamente de la chimenea. Fig. 14. En unidades de mayor capacidad, es más conveniente (consume menos combustible al aumentar la eficiencia del GV.) subdividir en mayor grado la madera. Se recurre a la producción de chips, pequeñas rebanadas de madera de un espesor del orden de 5 mm. y longitudes variables de 3 a 6 centímetros. El chip, el aserrín, pequeños trozos de corteza son alimentados mediante tornillo sin fin a una grilla interna del hogar tal como ilustra la Fig. F ig. 14 15. Con este método se llega a producir hasta 4 ton. de vapor/hora. Puede operar con un quemador de gas o FO. complementariamente. Como la madera genera una cantidad considerable de materia volátil combustible, cuando se requiere mayores generaciones de vapor, es necesario dotar al GV. humotubular de un antehogar. Fig. 16. El combustible es alimentado de la misma forma que la anterior. La grilla se encuentra en el antehogar. En su interior debe completarse la combustión, los quemados pasan entonces al hogar del GV. humotubular donde continúan con el camino conocido. A régimen de producción elevado, la combustión puede incluso completarse en el hogar corrugado del GV. humotubular. El antehogar tiene sus paredes, techo y piso, forrado de tubos por cuyo interior circula por convección natural, agua proveniente del cuerpo cilíndrico. Forma con aquel un bucle cerrado. La combustión de este tipo se denomina en semi-pila. Instalaciones más completas Fig. 17 disponen de separadores de ceniza volante. El resto de la ceniza cae al cenicero desde la grilla. El cenicero es anterior al antehogar. Se construyen para producciones de hasta 14 ton./hora aprox. 2
El combustible líquido utilizado en las unidades más pequeñas de hasta aprox. 15 m de superficie de calefacción, se emplea diesel oil o gas oil. Ello es debido al volumen reducido del hogar, que impone un volumen de llama también escaso. GVs. de mayores capacidades queman una mezcla de fuel oil y gas oil de distintas proporciones (70/30; 90/100) según requerimientos 2 del hogar. Los GV. de 50 m de superficie de calefacción aprox. y mayores ya queman fuel oil FO. La combustión del FO. requiere de un hogar de mayores dimensiones por cuanto su
subdivisión en gotas, resulta de mayor diámetro debido a su mayor viscosidad. En consecuencia su combustión requiere de mayor tiempo de residencia en el hogar. Cuando la unidad se arranca desde la condición fría debe emplear gas o gas oil para el arranque. Caso contrario un calefactor eléctrico para el FO. Cuando el GV. alcanza una determinada temperatura o presión, dispone de vapor para calefaccionar el FO y puede operar con este combustible como base. Los combustibles livianos que se emplean como pilotos no requieren ser calentados para obtener una buena subdivisión y combustión satisfactoria. El FO. requiere ser calentado aprox. a 100 ºC. Para la calefacción del FO. se usa el vapor generado por la misma unidad y un intercambiador de tipo casco y tubo. La subdivisión del FO requiere de presión mecánica o de una mezcla con vapor. El gas natural GN. es el más utilizado como combustible. Los combustibles gaseosos queman en forma completa con más facilidad que los líquidos o sólidos, dado su máximo grado de subdivisión y en consecuencia posibilidad de estar en contacto con el comburente. Las superficies de calefacción se mantienen limpias por períodos prolongados. F ig. 15, 16 y 17
La producción de vapor puede ser regulada automáticamente si se lo desea. Para ello un sensor de presión del vapor que se genera , actúa sobre un circuito eléctrico. Mediante un motor eléctrico y reductor de velocidad, se actúa sobre la válvula que regula el suministro de combustible y simultáneamente sobre el suministro de aire de modo continuo, no por pasos.. Sistema modulante. De este modo se mantiene una relación Aire/Combustible adecuada para los distintos grados de carga del generador de vapor. Cuando la presión del vapor ha alcanzado la presión máxima de generación la combustión cesa. Quedando a la espera que la presión se reduzca hasta el valor que previamente se ha consignado. Alcanzada esta presión mínima, arranca la combustión a plena capacidad. A medida que la presión de vapor se restablece, la intensidad de combustión se reduce. Ante cualquier demanda abrupta de mayor cantidad de vapor, la combustión se intensifica en forma proporcional a la demanda. La ignición del combustible utilizado como piloto, se lleva a cabo mediante una chispa eléctrica que salta entre dos electrodos colocados sobre la descarga del quemador del combustible piloto. La descarga la proporciona un transformador de tensión eléctrica con salida de aprox. 12 kV. La llama del piloto ingresa al hogar con un conducto transversal al hogar. Luego que arrancó la llama piloto recién se inicia la descarga del combustible de base. Luego de un cierto lapso, cuando éste se encuentra quemando normalmente, sale de servicio el piloto. El sistema dispone de una fotocélula que controla el proceso de combustión. Cuando ésta cesa por cualquier causa, (gotas de agua en el combustible) corta el suministro de combustible. Evita de esta manera que ingrese combustible al GV. y se acumule sin quemar. Evita una eventual explosión al arrancar el piloto en un nuevo arranque. Todo el proceso de arranque es llevado en forma automática por un programador eléctrico o electrónico, cuya secuencia es la siguiente:
- Arranca el ventilador forzado que genera un "barrido" de gases en el interior del GV. evitando una explosión posterior al iniciar la combustión el piloto. E l barrido dura entre 10 a 40 segundos, según el tamaño del GV. - S alta la chispa en el piloto e ingresa combustible empleado como piloto. - S e suministra el combustible base por el quemador respectivo. - Después de un intertiempo sale de servicio el quemador piloto.
- S i el quemador base no ha estabilizado la combustión, la fotocélula lo saca de servicio. Detiene todo el proceso y lo indica en señalización de falla. 2
Estas unidades tiene una vaporización específica de 40 kg / hora-m quemando FO o GN. 2 Cuando queman leña o residuos industriales se reduce a unos 20 kg /hora-m Esta vaporizaciones son acompañadas con temperatura de salida de los gases a chimenea, del orden de 240 ºC quemando FO. La temperatura de salida de gases a chimenea decrece con la carga del GV. La eficiencia térmica de estos GV. operando en la carga óptima es del orden del 87 %. Esta eficiencia disminuye cuando lo hace la carga. Para 50 % de la carga, el rendimiento térmico baja unos 5 puntos. Estos valores quemando FO. Fig. 18. GV. HUMOTUBULAR SUNROD (tipo CPDB) Este diseño consiste en una cámara de combustión cilíndrica con extremos abovedados. Es apta para quemar gas y combustibles líquidos. La cámara de combustión, el hogar, está sumergido totalmente en la cámara de líquido lo que le proporciona intenso intercambio térmico. El fondo superior del hogar está conectado al fondo del cuerpo cilíndrico exterior, mediante tubos de 273 mm. de diámetro exterior, con espesor de 12,5 mm. En su interior se han alojado tubos con superficie extendida (pinches) de 168 mm. de diámetro exterior. Estos tubos son alimentados con líquido por la parte inferior. En su interior tiene lugar una vaporización intensa entregando el vapor por la conexión superior con la cámara de vapor. En la cámara de vapor se produce la separación de gotas. El hogar en su fondo inferior se conecta con el fondo plano del cuerpo cilíndrico exterior. Ello mediante escuadras (cartelas) para incrementar su rigidez (Fig. 19). La generación total de vapor es la suma de la generada en los tubos con superficies extendidas, más la superficie de calefacción correspondiente a las paredes del hogar. El título de vapor producido es de 0,98 para el régimen de producción de vapor nominal. Ello es consecuencia de lo amplio que resulta la cámara de vapor. No obstante el agregado de los tubos hervidores en los cuales el agua circula por su interior, el diseño responde a las características de humotubular. Como tal la presión de vapor se ejerce sobre el cuerpo cilíndrico exterior lo que limita la presión de generación hasta 30 bar. y 5 ton/hora de vapor. La versión CPH del mismo fabricante incrementa la generación a 35 ton/hora. La versión CPH (Fig. 20) responde también al diseño humotubular pero incorpora partes de acuotubular en forma más significativa. Así el hogar constituido por un fondo plano de refractario, paredes cilíndricas formadas por tubos que hacen contacto entre sí (tubos tangenciales) y techo abovedado. La pared de tubos se vincula por su parte inferior con un tubo anular que cumple la función de distribuir el líquido que llega desde la cámara de líquido, por medio de tubos "bajadores". Estos tubos "bajadores" están aislados del hogar. Luego por su interior se tiene un líquido saturado totalmente libre de fase vapor. El líquido ingresa al distribuidor anular y pasa a la pared de tubos. La cesión térmica del combustible, genera un vapor húmedo de muy bajo título dentro de la pared de tubos (x = 0,10 aprox.). Como su densidad es menor que la del líquido saturado que se tiene dentro de los bajadores, se produce una corriente ascendente por dentro de los tubos que
"miran" hacia el hogar, y descendente por los "bajadores" (downcomers); de ahí su denominación. La circulación descripta se realiza en forma continua en todo momento en que el quemador está en operación. esta circulación es muy activa y facilita el desprendimiento de las burbujas de vapor desde el interior de los tubos. Se incrementa de esta manera el coeficiente de película lado agua. En la parte superior la pared de tubos que "cierra" el hogar se comunica con la cámara de líquido. Ésta al igual que la versión anterior dispone de tubos con superficie extendida alojados dentro de tubos de mayor diámetro. El diseño vertical de estos generadores se caracteriza por el escaso lugar en planta que ocupan, lo cual es un importante factor para instalaciones navales. F ig. 19
Ambos diseños en la parte superior disponen de una cámara de recolección de quemados para llevarlos a chimenea. Disponen de portines de inspección en la parte superior que habilita mediante chorro de agua efectuar la limpieza de hollín que eventualmente pudiera acumularse sobre las superficies extendidas. Estos generadores de vapor se suministran en forma de "paquete" incorporando todos los elementos necesarios para el funcionamiento y control. Área de Aplicación de los GV Humotubulares.
Las características operativas de los receptores de vapor son los determinantes del tipo de vapor requerido para su operatividad. Todo proceso tecnológico requiere de una cierta temperatura para ejecución. Teniendo en cuenta esa temperatura del proceso, los proyectistas de los equipos que integran el proceso tecnológico, determinan las superficies de intercambio térmico requeridas, para lo cual establecen una cierta temperatura del vapor que será el vehículo de calor. La demanda de vapor puede ser para el suministro de calor a procesos tecnológicos, es decir con fines de proporcionar calefacción, o bien para alimentación de turbinas de vapor. F ig. 20 En el primer caso, el vapor empleado es del tipo saturado, consiguientemente su temperatura y presión guardan unívoca relación. Se emplea vapor saturado por cuanto su comportamiento en la transferencia de calor es excelente, y al condensarse la cesión térmica específica resulta notoriamente mayor que el calor sensible que puede proporcionar un vapor sobrecalentado. En la medida que la temperatura demandada al vehículo de calor no supere los 230 ºC , el vapor requerido puede ser suministrado por un GV. Humotubular, estando comprendido el costo de esta unidad dentro de valores económicamente convenientes. La temperatura de 230 ºC del vapor de agua saturado corresponde con una presión de generación de 28 bar. El diseño del GV. Humotubular tiene como inconveniente que la presión del vapor se ejerce sobre un cuerpo cilíndrico de dimensiones significativas. El espesor de la pared de ese cuerpo cilíndrico, básicamente responde a la expresión: e = p . D / 2 S K donde : p ; presión interior D; diámetro interior del cuerpo cilíndrico S; tensión admisible K; factor que considera resistencia de soldadura + corrosión De manera que el espesor de la pared del cuerpo cilíndrico crece en función del producto p.D. La presión crece en función de la temperatura requerida al vapor, y el diámetro en función de la superficie de calefacción a instalar. En los GV. humotubulares la superficie de calefacción está integrada por la correspondiente al hogar, la cámara de inversión húmeda y el haz tubular. Si bien la presión del vapor se ejerce también sobre los tubos que conforman el haz, al ser de diámetro menor, su espesor normalmente está en el rango de 3 a 4 mm. El material empleado en los tubos pude ser SA.210 o caños SA.106.C. Al incremento de la superficie de calefacción se puede responder en primera instancia, aumentando la longitud del cuerpo cilíndrico. Pero ello tiene un límite. La intensa ebullición y convección interior, al tener un desplazamiento transversal al haz tubular, le produce vibraciones tanto mayores cuanto mayor sea su longitud. Es por ello que no se supera un cuerpo cilíndrico de 10 m. de longitud. Mayores longitudes requieren que se instalen placas de sostenimiento intermedio al haz tubular, lo cual encarece su construcción. También se hacen más pronunciadas las dilataciones diferenciales. En segunda
instancia, se recurre al aumento del diámetro del cuerpo cilíndrico. Para la ejecución del cuerpo cilíndrico se recurre a chapa tipo SA.299 o SA.515 grado 70; ambas de alta resistencia específica para disminuir el espesor, pero crece el costo del material. Siempre imperan las 2 limitaciones ya citadas. Luego la superficie de calefacción límite ronda los 700 m. en unidades de doble hogar y haz tubular de 60 mm. de diámetro exterior. De tal modo que, quemando gas natural o fuel oil su producción horaria, resultante del producto superficie de calefacción x 2 2 vaporización específica ( 700 m. x 40 kg. vapor / m. . hora) ronda los 28.000 kg./h. Siempre es factible la construcción de unidades que generen vapor a mayor presión y producción que la citada, pero se habrá de encontrar en el mercado, que GV. de otro diseño ( acuotubular) también lo consigue, pero con menor costo de adquisición del GV. Finalmente el rango operativo económico del GV. humotubular está limitado a una producción del orden de las 28 ton. /h. y a una presión de generación del orden de las 28 a 30 bar. Cuando la demanda total de vapor de una planta industrial es importante ello corresponde con una instalación industrial también de importancia, donde cada vez es más imperativo asegurar la continuidad operativa. En estos casos, la producción de vapor queda a carga de más de 1 GV. Al menos 2 unidades. Ello proporciona la posibilidad de un plan de mantenimiento preventivo con mayor elasticidad y la posibilidad, en caso de demandas estacionales, sacando de servicio un GV. con el restante operar en condiciones más próximas a su punto óptimo de eficiencia térmica. De esa manera, operando con más de un GV. la capacidad total para los GV. humotubulares resulta ampliada y consecuentemente su área de aplicación. En forma paralela al crecimiento de la demanda de vapor, lo hace la demanda de energía eléctrica. Resulta así que, cuando en una planta industrial el consumo de vapor empieza a ser significativo, asi por ejemplo mayor a la 30 ton./h. y esa demanda tiene cierta estabilidad anual, empieza a ser interesante la instalación de una turbina de vapor de contrapresión para reducir el costo de la energía eléctrica generada por este medio. El escape de vapor de la turbina, es quién abastece de vapor a sus receptores. (Ver Tema 2.6 turbina de contrapresión). La turbina de vapor demanda de vapor sobrecalentado, y su grado de sobrecalentamiento ( relación entre la temperatura de sobrecalentamiento y la del vapor saturado a la misma presión) no es alcanzable razonablemente a los GV humotubulares; particularmente con el estrecho margen de tolerancia en la temperatura del vapor requerido por la turbina de vapor. Este otro factor que hace desplazar a los humotubulares y ser reemplazados por los GV. acuotubulares. Comercialización.
Los GV. Humotubulares se comercializan en una modalidad definida como "paquete". Consiste este paquete, en la unidad GV montada sobre una plataforma metálica sobre la que se instala: - 2 Electrobombas para alimentación de agua al GV. - 1 Bomba de combustible con filtro y calefactor de vapor. - 1 Ventilador para tiro forzado. - Tablero eléctrico que incorpora además de los contactores para los motores eléctricos, el programador para que el automatismo. - Demás accesorios para la puesta en marcha, operación normal, y salida de servicio. Elementos de seguridad. De este modo, la unidad paquete sólo requiere: - Suministro de energía eléctrica. - Suministro de agua y combustible. - Conexión al sistema de vapor.
- Instalar la chimenea (que es parte de la dotación). - Conectar el sistema de purga.
G ENERA DO RES D E V AP O R ACUOTUBUL ARES . GV acuotubulares de Circulación natural. El diseño de GV. Humotubulares con aptitud para generar hasta presiones del orden de 20-25 2 bar y superficie de calefacción de 500 m ; como límite económico restaba resolver el problema que significa generar vapor a mayor presión y gastos. Disponiendo de mayores conocimientos de la Termodinámica y con un mayor apoyo de la tecnología, paralelamente al desarrollo de los GV. humotubulares se desarrollaron los acuotubulares. Estas circunstancias condujeron a un diseño en el cual el líquido habría de circular por el interior de tuberías de reducido diámetro. Asimismo procurando que la velocidad de circulación de éste fuese lo más elevada posible a efecto de arrastrar las burbujas de vapor que se generaban sobre la cara interior del tubo. Ello en procura de incrementar el coeficiente de película lado agua. El vapor generado dentro de estos tubos debía ser descargado en el interior de un cuerpo cilíndrico que obra de separador de fases. De alguna manera este proceso debiera ser realimentado constituyendo un bucle cerrado. Ello se logra por un proceso de convección natural esquematizado en Fig. 1. En el cuerpo cilíndrico se conectan tubos llamados "bajadores" (downcomers) encargados de la conducción de líquido saturado. Es decir libre de burbujas de vapor. Asimismo estos tubos bajadores están aislados del hogar, de manera que al no recibir calor el líquido al alcanzar el extremo inferior está ligeramente subenfriado como consecuencia de la mayor presión estática. Lo que importa es que no tenga vesículas de vapor. Los bajadores se conectan a tubos distribuidores que suministran líquido a un haz de tubos llamados hervidores o "subidores". Estos tubos si están expuestos a la cesión térmica del hogar. En su interior es donde se genera vapor. En el extremo superior al abandonar la zona del hogar en su interior se tendrá un vapor húmedo de muy bajo título, del orden de x = 0,10 a 0,25 lo que dependerá de factores que más adelante se considerarán. Es conveniente que el título a la salida de los tubos hervidores, sea reducido por cuanto el agua en fase líquida es quien tiene eficiencia para enfriar al tubo, no así el vapor. Su coeficiente de película es sensiblemente mayor que el correspondiente a la fase vapor. Por otro lado a pesar del reducido título, debido a los volúmenes específicos tan diferentes, en definitiva el vapor ocupa mayor volumen que la fase líquida. En proporción es la fase que hace contacto sobre la superficie interna del tubo en mayor grado. Para proporcionar una idea más clara, si el haz tubular debe generar 1.000 kg./hora de vapor, y el título al ingresar al c. cilíndrico debe ser igual a 0,10, el gasto de fluido recirculado debe ser 10.000 kg./hora. La relación 10.000/ 1000 = 10 se llama Grado de Recirculado. Para que tenga lugar la convección natural es indispensable que ambas columnas de líquido tengan peso específico diferente. Lo cual se consigue con el artificio citado de tubos F ig. 1 3 2 1 bajadores y hervidores. En Fig. 2 se representan las condiciones del fluido en el circuito elemental considerado. Donde (1) es la condición de líquido saturado a la salida del c. cilíndrico. (2) la condición del fluido al ingresar al tubo hervidor. (3) al egresar del tubo hervidor. Nótese que los 3 estados tiene la misma temperatura. Por lo tanto la diferencia de pesos específicos es consecuencia del título mayor que cero en el haz hervidor. La presión impulsora para la convección resulta: pi = H . (& - & ) 1
2
Donde: H ; altura de columna de fluido. & ; peso específico col. líquido 1 . & ; peso específico medio col. de vapor húmedo. 2 De lo expuesto surge la conveniencia de incrementar la altura de las columnas y las diferencias de pesos específicos. Esto último está limitado por los factores apuntados. El diseñador puede procurar incrementar H. Finalmente, la presión impulsora pi. se habrá de equilibrar con la pérdida de carga total que demanda el gasto del recirculado requerido a lo largo del bucle (downcomer y riser) : pi. = Ap1 + Ap2 +.....+ Apn Para calcular la pérdida de carga en cada tramo, se debe adoptar por tanteo un diámetro. Se determinan las velocidades en cada tramo que demanda el gasto de recirculado deseado. Con la velocidad en cada tramo, el diámetro interior del tubo y su longitud, se calcula la pérdida de carga en el sector considerado. Sumando las pérdidas de cargas de todos los sectores que componen el bucle (tubos rectos, curvas, tees, distribuidores, colectores, se tendrá la pérdida total. Si la pérdida de carga total del bucle resulta mayor que la pi. disponible, se debe aumentar el diámetro de los componentes del bucle, hasta que por distintas iteraciones se logre el equilibrio. Eventualmente puede ser suficiente incrementar el diámetro de un sólo sector, por ejemplo de los bajadores para lograr un equilibrio. El análisis de las pérdidas de carga de cada sector indicará cuál es más conveniente de modificar. El diseño del bucle requiere de experiencia y debe ser cuidadosamente ejecutado para conseguir el adecuado grado de recirculado. Cuando son más de un bucle los que operan en paralelo se requiere de un balanceo entre todos ellos para asegurar el adecuado grado de recirculado por cada uno de los bucles componentes del sistema. La ejecución del bucle cerrado para la recirculación del agua debe ser cuidadosamente diseñada para que tenga la efectividad deseada. E n caso de error, si las resistencias a la circulación del fluido resultan ma yores, por lo tanto la presión impulsora calculada será insuficiente para generar el gasto de recirculación deseado. Consecuencia: el título a la salida de los tubos hervidores será ma yor y menor el coeficiente de película interno, lo cual redundará en una ma yor temperatura interior del tubo. P uede ocasionar su rotura. F ig. 2 p v 1 2 3 t=cte.
Se pasa a considerar la evolución del desarrollo de GV. acuotubulares mencionando aquellos que han tenido en particular un relevante desempeño. GV. de Tubos rectos inclinados de Babcock & Wilcox. La Fig. 3 esquematiza un corte longitudinal de este GV. En su parte superior dispone de uno o dos cuerpos cilíndricos apareados en posición horizontal. Su diámetro exterior es de aprox. 1 m. Su longitud máxima de 8 metros. El nivel de líquido en su interior era del 60 % aprox. En su parte posterior se conectaban bajadores que alimentaban un bosque de tubos rectos inclinados 22º respecto a la horizontal. En la parte anterior el bosque de tubos se conectaba a unos conectores que conducían el vapor húmedo al c. cilíndrico cerrando de esta manera el bucle. El bosque de tubos hervidores se construía con tubos de 100 mm. de diámetro exterior. Cada cuerpo cilíndrico alimentaba un bosque compuesto de 60 tubos. 10 tubos en profundidad, 6 en horizontal. Este haz constituía el límite que permitía una distribución razonable del líquido. La inclinación de los tubos hervidores tenía por objeto facilitar la convección natural. Para ello el hogar se colocaba en la parte inferior delantera. Luego la zona de mayor temperatura del hogar coincidía con aquella donde el título del vapor era mayor. Los productos de combustión
son obligados a atravesar el haz tubular en forma transversal lo que genera mayor turbulencia y mayor coeficiente de película lado gases. Un diafragma refractario impone a los gases, posteriormente, a efectuar un retorno descendente para salir luego para chimenea. Este tipo de GV. comercialmente se le ponderaba como "inexplosible". Ello por cuanto en caso de falla de un tubo, el agua que se proyectaba sobre el hogar apagaba la combustión evitando otros riesgos. El cuerpo cilíndrico estaba bien protegido de los gases de combustión. Estos GV. podían incorporar un sobrecalentador. Se tomaba vapor saturado del cuerpo cilíndrico y se le hacía pasar por un haz colocado en el espacio comprendido entre el bosque de tubos y la parte inferior del cuerpo cilíndrico. El hogar era conformado por la pared refractaria anterior, las dos laterales y una media pared frontal llamada "altar". Las paredes laterales disponían de portines que permitían acceder al interior del hogar para reparar los refractarios. Las paredes eran ejecutadas con dos hileras F ig. 3 de refractarios. La interior era de ladrillos de alta calidad aptos para soportar las elevadas temperaturas reinantes dentro del hogar, de hasta 1.300ºC. La exterior de menor calidad. Periódicamente era necesario proceder a la reparación de la pared interior. Ya sea con mortero refractario para compensar pérdidas de espesor puntuales, o renovando la pared. Estas circunstancias limitaban la cesión térmica permisible en el hogar, imponiendo el suministro de un elevado exceso de aire y por lo tanto en detrimento del rendimiento térmico del GV. Así mismo resultaba menor tm. y por lo tanto se afectaba la vaporización específica. La superficie de calefacción con este diseño y dos cuerpos cilíndricos alcanzaba un límite de 320 m². La vaporización específica del orden de 50 kg/hora-m². Presión de generación de hasta 60 bar y temperatura de sobrecalentamiento de hasta 380ºC. El rendimiento térmico del orden del 70% quemando FO. Eran aptas para quemar sólidos, líquidos y gases. Los tubos hervidores se fijaban a los bajadores y subidores mediante mandrilado. Disponiendo el cuerpo cilíndrico transversal al haz tubular era posible incrementar el número de tubos en hilera horizontal hasta un límite de 4 veces el número correspondiente a dos cuerpos cilíndricos dispuestos longitudinalmente. Es decir una superficie de calefacción del orden de 1.480 m² con gastos de vapor 70 ton/hora. GV. Stirling de tubos curvados. La Fig. 4 esquematiza un corte transversal a este GV. Disponía de 4 cuerpos cilíndricos y 3 haces de tubos con inclinación de 65º respecto la horizontal. Los tubos son curvados en sus extremos para vincularse a los cuerpos cilíndricos. Diámetro exterior de los tubos: 65 mm. Los haces de tubos son hervidores, los bajadores respectivos no están representados. Las cámaras de vapor de los 3 cuerpos cilíndricos superiores se conectaban entre sí para equilibrar los niveles de líquido y posibilitar la extracción de vapor desde un sólo cuerpo. La combustión se desarrollaba en el hogar que ocupaba la parte frontal del GV. Los cuerpos cilíndricos estaban transversal al pasaje de los gases al igual que los bosques de tubos hervidores. Las paredes eran construidas de ladrillos refractarios y presentaban los mismos problemas que los detallados para el GV. Babcock & Wilcox de tubos rectos. La ventaja de este GV. respecto al B7W. era su mayor inclinación permitiendo de este modo alcanzar mayor valor de la altura de fluidos H. y por lo tanto mayor presión impulsora. La recirculación del agua resultaba más enérgica mejorando de esta manera la vaporización específica. El diseño es costoso por cuanto los cuerpos cilíndricos lo son. Al igual las paredes de ladrillos refractarios. Pero el diseño proporcionó un enfoque hacia la disposición final del bosque de tubos hervidores, que debe ser la vertical. Con esta disposición es factible lograr la mayor
altura H. con la menor longitud de los tubos. Por lo tanto menor pérdida de carga y en consecuencia la máxima intensidad de recirculación para determinadas condiciones operativas. GV. Acuotubular con Hogar de Paredes de Tubos. Las paredes de refractarios limitaban las temperaturas finales de combustión, imponiendo el suministro elevado exceso de aire. Ello se traducía en una disminución del rendimiento térmico del GV. y de menor tm. por lo tanto menor vaporización específica. La solución total a este problema se debe al diseño de paredes de tubos revistiendo al hogar. En un principio la solución se vislumbró revistiendo las paredes del hogar con un haz plano de tubos hervidores. Estos recibían calor de la combustión por radiación. Se debe destacar al respecto que las llamas no deben alcanzar al haz tubular. Ello por cuanto se reduce la temperatura de los gases en combustión y se interrumpe el proceso. Como resultado se tiene combustión incompleta. Presencia de óxido de carbono CO y hollín. En un principio los tubos estaban separados entre sí una distancia igual a 2 o 3 diámetros. Atento los resultados, que fueron excelentes, se pasó a la ejecución de paredes planas de tubos hervidores. Las paredes de tubos hervidores en la actualidad pueden ser de tubos tangenciales o paredes tipo membrana. Las paredes de tubos tangenciales se ilustran en la Fig. 5. Los tubos hacen contacto entre sí formando un haz plano. Los tubos se sueldan formando un conjunto que resulta hermético a F ig. 4 los gases (llamado gas tight). En la parte inferior del haz se vinculan todos los tubos con un distribuidor de líquido proveniente de un bajador. En su extremo superior, el haz se vincula con un tubo colector el cual suministra el vapor húmedo al cuerpo cilíndrico. Se cierra el circuito por el bajador. Para posibilitar la soldadura del haz plano al distribuidor y al colector, en sus extremos por comprensión se reduce el diámetro en forma de cono. Fig. 6. Las paredes tipo membrana están formadas por tubos separados entre sí aproximadamente ½ del diámetro exterior. Se les vincula entre sí con una planchuela de espesor similar a la pared del tubo. Esta se suelda a ambos tubos conformando una pared hermética a los gases. Fig. 7. Para aumentar la superficie de intercambio los tubos suelen tener superficies extendidas de forma de tacos tal como ilustra la Fig.8. Los tacos resultan del proceso de formación del tubo. F ig. 8 F ig. 5 F ig. 6 F ig. 7
Las paredes de tubos forran incluso el piso y techo de los GV. Al piso eventualmente. Los tubos son de diámetros comprendidos entre 75 y 50 mm. de diámetro exterior. La calidad del acero tipo SA 192 por lo general. Espesor dependiente de la presión interior pero oscila entre 4,5 y 3 mm. Los colectores y distribuidores construidos por lo general con acero tipo SA 106. El empleo de las paredes de tubo, eliminó por completo las paredes de refractarios, requiriendo por lo general que del lado exterior de las paredes de tubos se coloque una colchoneta de lana mineral semi-rígida con espesores que oscilan entre 100 y 150 mm. Con el propósito de brindar una protección mecánica al aislante se le recubre exteriormente con una chapa de acero acanalada tal como ilustra la Fig. 9. Esta disposición elimina totalmente la pared de refractarios resulta más liviana y económica. Es de considerar además la menor pérdida de calor hacia el exterior. Al respecto debe tenerse en cuenta que con la pared de refractario la temperatura interna de los ladrillos eran del orden de los 1.000ºC. mientras que la superficie externa de la pared de tubos difícilmente alcance la temperatura de 300ºC. Luego la pérdida de calor hacia el medio ambiente es menor. (pese a los distintos espesores y material empleado como aislantes en ambos casos). La Fig. 10 muestra como se resuelve la conjunción de dos paredes de tubos (vértice del hogar) para asegurar la hermeticidad. La figura particulariza el sector de colectores y la salida desde éstos hacia el c. cilíndrico. F ig. 9 F ig. 10
Eventualmente la pared de tubos ya sea tangenciales o de membrana, en determinado sector debe permitir el pasaje de los productos de combustión. Es decir debe ser "permeable". Este caso se presenta en particular en la pared posterior del hogar (la que "mira" hacia los quemadores) en su parte superior. En este sector los gases de combustión pasan desde el hogar hacia el pozo de convección. Para conseguir la permeabilidad, tubo por medio se adelanta respecto de los demás manteniendo el mismo paso transversal tal como ilustra la Fig. 11. Con frecuencia se debe atravesar la pantalla para permitir el pasaje por ejemplo de quemadores, o simplemente en portines de observación del interior del hogar. En tales casos se resuelve como ilustran las figuras 12 y 13. Las paredes de tubos se construyen mediante soldadura eléctrica automatizada. Cuando las paredes deben tener curvas, la totalidad de ésta es pasada por un tren de rolos cuyas superficies copia el perfil exterior del haz. La geometría de las curvas la roladora la copia "leyendo" un láser el plano correspondiente. GV. Tipo H-K Henschel - Gonella. Consiste en un diseño acuotubular de tubos verticales tal como ilustra la Fig. 14. Los tubos que forman una pared tangencial circular vinculan en su parte inferior con una cámara anular al igual con su extremo superior. Esta última de mayor volumen que obra de separadora de fases. El nivel de líquido debe cubrir completamente los tubos hervidores alcanzando aprox. el 50 % del volumen de la cámara superior. F ig. 11 F ig. 12 F ig. 13 El haz tubular conforma dos paredes cilíndricas concéntricas separadas entre sí a fin de posibilitar el flujo de los productos de combustión tal como ilustra la Fig. 15. El hogar es cilíndrico y está conformado por la pared de tubos interna y las cámaras anulares. La combustión debe completarse dentro del hogar. A la salida de éste, los gases tienen una temperatura del orden de los 1.100ºC. e ingresan al ánulo conformado entre las dos paredes de tubos. Dada su geometría la turbulencia de los gases es muy elevada proporcionando elevado valor del coeficiente pelicular lado gases. Este GV. se diseña para la producción de vapor saturado. Para gastos desde 180 kg/hora hasta 5.700 kg/hora. De acuerdo a lo detallado por el fabricante, el rendimiento térmico quemando FO es del 88 %. También es apta para la combustión de gas natural GN. Las cámaras anulares inferior y superior disponen de tapas desmontables para posibilitar la inspección y limpieza interna. Estos generadores se caracterizan por su rápida puesta en servicio desde condición de frío a pleno régimen, el tiempo demandado es de 10 minutos. Ello consecuencia de su reducido volumen de agua. Es indispensable que en todo momento la combustión se verifique libre de humo u hollín atento a la geometría de los pasajes. En caso de ensuciarse con hollín la limpieza resultará muy dificultosa y de éxito relativo. GV. Tipo VP de Combustión Engineering. Este GV. es ilustrado en Fig. 16. Se caracteriza por el hecho que los productos de combustión se desplazan en un plano horizontal en un recorrido tipo U. Dispone de 2 cuerpos cilíndricos superpuestos colocados a un costado del hogar. La Fig. 16 representa una vista superior del GV. Los quemadores se instalan en la abertura situada a la izquierda y en el eje del hogar. El hogar está resuelto con pared de tubos tangenciales como se observa en el detalle ampliado superior. Al completarse la combustión los gases alcanzan la pared posterior del hogar que presenta un chaflán a efecto de facilitarles el cambio de dirección a los quemados. Al salir del hogar pasan los gases de combustión por el sobrecalentador de convección desde donde luego ingresa hacia un sector densamente ocupado por bosques de tubos verticales y
transversales al flujo de quemados. Estos haces consisten en tubos hervidores que vinculan ambos cuerpos cilíndricos. Si necesario puede haber haces de sobrecalentadores que complementen la acción del citado inicialmente. Este sector de convección queda enmarcado por la pared de tubos tangenciales que lo separa a este sector del hogar, y la que sirve de límite exterior del GV. Los gases al alcanzar el extremo izquierdo del sector de convección, giran 90º y salen hacia arriba vía chimenea. Este GV. se construye en forma modular. Se ofrecen para generar vapor saturado o sobrecalentado, para regímenes nominales desde 20 ton/hora hasta 200 ton/hora, y temperatura de sobrecalentamiento de 250ºC. Presiones de generación de hasta 120 bar. Los módulos pequeños y medianos el constructor los ofrece como unidades tipo paquete. Nótese como está conformada la pared exterior detallada en la ampliación puntual superior. La variación desde 20 a 200 ton/hora la ofrece el fabricante en base a 8 módulos distintos. GV. Tipo RILEY - UNION M-H. Este diseño ilustrado por la fig. 17 también corresponde al tipo de GV. en los cuales los quemados cumplimentan un recorrido comprendido en un plano horizontal. Se caracteriza esta unidad por la simetría de su diseño respecto de un plano que pasa longitudinalmente por el centro del cuerpo cilíndrico. La unidad dispone de un cuerpo cilíndrico y dos distribuidores inferiores de generosa sección transversal. El piso, techo y paredes están hermetizados a los gases mediante paredes de tubos tangenciales. El hogar colocado en forma central queda enmarcado por paredes internas de tubos tangenciales. Los quemadores se posicionan en el frente de la unidad, pared izquierda. los productos de combustión recorren todo el hogar y al llegar a las proximidades de la pared posterior (la derecha); las paredes de tubos tangenciales que obran de baffles en el hogar se interrumpen. Ello brinda un pasaje a los gases tal que bifurcados ingresan a un sector de haces de convección. Las paredes que enmarcan el hogar reciben calor por radiación. En el sector de convección se colocan tubos hervidores que vinculan los distribuidores con el c. cilíndrico. Los bajadores no están representados, pero nótese que el c. cilíndrico y los distribuidores son de mayor longitud que el hogar. En una muestra del folleto que proporcionó la información que se está brindando, indica que los bajadores son exteriores a las paredes de tubos tangenciales que limitan al GV. Del cuerpo cilíndrico salen dos, uno para cada distribuidor. El GV. puede proporcionar vapor sobrecalentado. En tal caso se coloca un haz de convección en el sector inmediatamente aguas abajo del ingreso al sector de convección. Los distribuidores tienen un diámetro de 400 mm. Estas unidades se fabrican tipo paquete, con capacidades de generación desde 10 ton/hora hasta 100.000 ton/hora, y temperaturas de sobrecalentamiento de hasta 450ºC. Los gases de combustión luego de alcanzar el extremo izquierdo del bosque de convección giran 90º hacia arriba vía chimenea. Este GV. al igual que el VP de Combustion Engineering permiten la colocación de un economizador y precalentador de aire. Ambos se ejecutan en un cuerpo separado del representado en las figuras dadas.
GV. Tipo VU de Combustion Engineering. Este GV. es representado por la Fig. 18. Como se desprende de la observación dispone de 2 cuerpos cilíndricos superpuestos. El inferior de menor diámetro obra de distribuidor para el haz vertical de tubos hervidores. Este GV. presenta un recorrido de los gases en forma de S acostada comprendido en el plano de circulación vertical. Los quemadores están colocados sobre la pared izquierda completándose la combustión en el hogar conformado por paredes de tipo membrana. La pared posterior del hogar tiene forma curva y se hace permeable en el sector superior para permitir el pasaje de los quemados al bosque de tubos de convección. El hogar está totalmente forrado de tubos, la pared posterior, anterior, las laterales, piso y techo. Por delante del sector permeable de la pared posterior se han instalado haces de sobrecalentadores de radiación y convección. Son tipo colgantes como ilustra la Fig. 19. Estos sobrecalentadores son de radiación por cuanto "miran" hacia el hogar; y de convección por cuanto les atraviesan los quemados. Desde ya que en el segundo sector de convección, debido a la temperatura de los quemados también hay cesión térmica por radiación. Estos sobrecalentadores tienen 2 haces colocados en serie. Intercalándose un colector donde es factible la inyección de líquido para atemperar al vapor sobrecalentado. En el último colector se inyecta también líquido para la corrección final de la temperatura del vapor. Los tubos hervidores son recorridos en forma descendente por los quemados, y en zig zag, debido a la presencia de pantallas refractarias. Al salir del GV. los gases de combustión ingresan a un precalentador de gases rotativo tipo Ljunstrom. Desde este precalentador de aire los gases van a chimenea. El aire necesario para la combustión se precalienta en esta unidad y por debajo del GV. los conductos alcanzan la caja de vientos de los quemadores. El GV. va apoyado sobre bases de hormigón. Se construye con capacidades que oscilan entre 50 y 500 ton/hora de vapor y presión de diseño de hasta 120 bar y sobrecalentamiento de hasta 520ºC. Apto para la combustión de líquidos y gases. La construcción modular está indicada en las vistas inferiores. Tal como se observará las distintas capacidades se logran incrementando el ancho del GV. y simultáneamente el número de quemadores. Nótese la pared de tubos tipo membrana, la aislación de lana mineral y la protección mecánica. Asimismo el inserto que sirve de fijación a la pared de protección mecánica. La membrana está construida con tubos de 63 mm. de diámetro exterior vinculados con una planchuela (aleta) de 25 mm. de ancho. Como no tienen refractario posteriormente se facilita la reparación en caso de una falla de un tubo. El revestimiento exterior además de proporcionarle protección mecánico le habilita para su instalación en intemperie. Esta posibilidad es una característica típica de los GV. cuya construcción no es del tipo paquete. Resulta de esta manera una sensible economía en la obra civil. A efecto de minimizar los costos de montaje, la membrana se construye en fábrica de un ancho que sea factible su transporte a la zona de montaje. Para completar su medida final sólo es necesario soldar "in situ" el colector y distribuidor para llegar a conformar la pared y una soldadura longitudinal para vincular dos haces. Las paredes tipo membrana como la de tubos tangenciales, proporcionan además excelente resistencia mecánica para autosoportarse limitando el montaje a requerir pilares de apoyo. La resistencia estructural es fundamental para resistir las presiones internas del GV. y la acción del viento exterior. El diseño apunta entre otras cosas a facilitar el montaje minimizando las operaciones in situ. Ello por cuanto en el taller de fábrica se cuentan con máquinas automáticas para las soldaduras, mientras que el lugar de emplazamiento se debe hacer manual. GV. Tipo CSB. Central Station Boiler de Riley Corp.
Este GV. está representado en Fig. 20. Está capacitado para la combustión de FO y GN. Capacidad 1.260.000 kg. de vapor/hora. 160 bar 560ºC. (sobre y recalentado). Como se comprenderá es un GV. destinado para una central termoeléctrica y capacitado para el accionamiento de una TV. de 400 MW aprox. El hogar totalmente forrado de tubos formando paredes herméticas al gas. Un amplio hogar de forma de paralelepípedo con un pozo de convección a la derecha que impone un recorrido de los gases en forma de S acostada. Dispone de un cuerpo cilíndrico colocado a la izquierda, vértice superior, del cual se observan descienden amplios "bajadores" que suministran líquido a los distribuidores inferiores de las paredes del hogar. El GV. dispone de sobrecalentadores de radiación intercalados en las paredes del hogar, sector superior. Asimismo de sobrecalentadores de convección alojados en el pozo de convección, sector superior. Estos se encuentran alternando con los recalentadores de convección. En la parte inferior del pozo de convección se encuentra instalado el economizador. Los gases luego de atravesar el economizador, giran 90º hacia la derecha y pasan a un precalentador de aire tipo Ljunstrom vía chimenea. El aire para la combustión la suministra un ventilador de tiro forzado VTF. Pasa por el precalentador y alimenta la caja de vientos de los quemadores colocados en la "cintura" inferior del hogar. Este GV. tiene una particularidad que le diferencia de los anteriores. Está soportado, colgado de una estructura resistente superior independiente del GV: Esta disposición es común en los GV. de gran altura (del orden de 30 metros y más). Ello facilita la libre dilatación de las paredes hacia abajo además, al estar colgado se elimina el esfuerzo de flexión de las paredes (peso propio) tanto más importante cuanto mayor sea la longitud de éstas. Como el hogar está presurizado por el VTF. las paredes de tubos requieren de una estructura resistente adicional. La presión de los gases de combustión ejerce un esfuerzo hacia afuera, hacia el exterior. Para soportar tales esfuerzos se recurre a la colocación de perfiles de acero en forma horizontal que, circundando totalmente al hogar, a modo de "cintura" colabora para resistir los momentos flectores. Véase la Fig. 20. La dilatación de las paredes de tubos asumiendo una diferencia de temperatura de 250 ºC entre las condiciones de arranque en frío y la de régimen, es de 25 mm. por cada 10 metros de longitud. El rendimiento térmico de estas unidades quemando FO. es del orden del 93 % operando en las condiciones de carga nominal o próximas a ella. La vaporización específica es del orden de 80 2 kg de vapor/m -hora. 2.4.2 GV. acuotubulares de circulación impulsada por bomba. Los GV. acuotubulares detallados anteriormente corresponden a un diseño denominado de Circulación Natural. Esta denominación responde al hecho que, el agua que recircula por los tubos hervidores-c. cilíndrico-bajadores lo hace solamente impulsada por la diferencia de densidades de las columnas de fluido bajador-tubo-hervidor. En procura de alcanzar una mayor eficiencia del ciclo térmico se genera éste a presiones y temperaturas de sobrecalentamiento, cada vez mayor. Ello, al principio de la circulación de agua por diferencia de densidades le pone un límite que resulta del siguiente análisis. Recurriendo a la Fig. 2, se desprende de la observación de las curvas de líquido y vapor saturado que la diferencia de sus volúmenes específicos es cada vez menor cuanto mayor es la presión de generación de vapor. Esta diferencia resulta prácticamente nula en las proximidades de la presión crítica. Si se tiene en cuenta que ésta es de 224 bar, se comprenderá que un límite a la circulación sea una presión del orden de los 180 bar. Si se pretende generar a presión mayor que este valor será menester impulsar la recirculación del agua por otro mecanismo, por bomba.
La impulsión por bomba es un artificio que puede emplearse cualquiera sea el régimen de presión de generación de vapor. Ya sea subcrítico como supercrítico. Atento al costo adicional que implica la instalación de bombeo y al consumo de energía que demanda este artificio sólo se emplea para GV. que producen vapor a presiones superiores a los 160-180 bar. Como se comprenderá este diseño es sólo empleado en GV. de gran capacidad únicamente empleado en centrales de generación de energía eléctrica. Las paredes de tubos que conforman el hogar son componentes de carácter crítico en un GV. y deben ser diseñadas con carácter conservativo para garantizar seguridad de servicio. El objeto de la recirculación del agua por las paredes de tubos es a efectos de asegurar el enfriamiento del metal con el que se les construye. Ello para cualquiera de los regímenes operativos posibles. Una adecuada circulación evita sobretemperatura en la pared de los tubos que puede ocasionar su rotura. Cuando la impulsión del agua por bomba se emplea en GV. subcríticos, la unidad se le denomina GV. Acuotubular de Recirculado por Bomba . El circuito recorrido por el agua es similar al de la circulación natural. La bomba se intercala aguas abajo del cuerpo cilíndrico al pie del GV. y es alimentada por un único bajador. Al colocarse la bomba al pie del GV. el líquido al ingresar a la bomba tiene su presión incrementada por la altura estática de la columna de líquido, es un líquido subenfriado. Se evita de este modo la cavitación. Cuando la presión de generación es supercrítica, se elimina el cuerpo cilíndrico por cuanto no hay fases distintas para separar. La recirculación del agua con el objeto de controlar el título del vapor a la salida de la superficie de calefacción tampoco tiene sentido, por lo tanto el agua sólo pasa por las superficies de calefacción una sola vez. Ello motiva su denominación de GV. Acuotubular de P aso Único. Fig. 21. Como se detallará más adelante estos GV. cuando operan a carga reducida recirculan parte del flujo de agua. En los GV. de recirculado por bomba el gasto de agua que se recircula está directamente relacionado con título del vapor húmedo que se desea tener a la salida de los tubos hervidores. Por ejemplo cuando se desea un título x = 010 y producir un gasto de 100.000 kg/hora de vapor, el gasto de agua a recircular resulta: 6 Gr = Gasto vapor = 100.000 kg/h = 10 kg/h 0,10 La impulsión del agua mediante bomba tiene numerosas ventajas que se pueden resumir: Reducción de las superficies de intercambio. Reducción del peso de las tuberías que componen las superficies de intercambio. Mayor libertad en el diseño de las superficies de intercambio Mayor agilidad de respuesta a las variaciones de la demanda de vapor. Menores tensiones mecánicas debidas a efectos térmicos. La reducción de la superficie. de intercambio es debido a un mayor coeficiente total de transferencia térmica U. Ello consecuencia de un incremento del coef. de película lado agua, derivado de una mayor velocidad del agua, mayor gasto por tubo y por lo tanto menor título. Este efecto se favorece con el empleo de tubos con estrías interiores. Estas incrementan la turbulencia interna provocando el desprendimiento de las vesículas de vapor adheridas a la pared interna de los tubos. Evitando de este modo una evaporación tipo film de vapor, manteniéndola nucleada.
Al disponer de una mayor fuerza impulsora, la suministrada por la bomba, resulta posible disminuir la sección transversal del haz tubular (aumentar la velocidad del agua) y adoptar tubos de menor diámetro. Por lo tanto de menor espesor de pared. En consecuencia menor peso de acero por kilogramo de vapor generado. Ello deriva en un menor peso de agua alojado en el interior de la s. de calefacción que sumado al menor peso de acero, le confiere menor inercia térmica. El agua al ser impulsada por la bomba no requiere de una disposición obligada de los tubos hervidores, pudiendo ascender y descender en su recorrido en el revestimiento de las paredes del hogar. Por ello los GV. pueden ser de menor altura. Incluso es factible el diseño de superficies de intercambio horizontales. Asimismo los haces pueden tener una trayectoria serpenteante tal como ilustra la Fig. 22 lo cual facilita la construcción de paneles en fábrica y su posibilidad de traslado al punto de montaje. El GV. de paso único (ONCE THROUGH) cuando opera a régimen reducido deben resolver la siguiente disyuntiva. Para lograr un adecuado enfriamiento de las superficies de intercambio próximos a los quemadores cuando la carga es reducida, es necesario garantizar la circulación de un gasto mínimo por este sector aún antes de iniciar la combustión. Ha sido práctica corriente que el deseado gasto mínimo sea del orden del 30 % del gasto máximo. Incluso es factible lograr que este gasto mínimo sea del 20 % del requerido al régimen máximo. Pero esto último tiene como resultado una excesiva pérdida de carga para cuando se opera a régimen máximo. Por otro lado cuanto mayor sea el régimen de agua mínimo se incrementa el costo de la instalación de bombeo. Esta disyuntiva es encarada por Combustion Engineering mediante el artificio de la Recirculación Combinada. Esta resulta de una combinación del flujo de paso único con recirculación. Cuando la demanda de vapor es inferior a un 50 % de la máxima y cuando se inicia el arranque, se recircula parte del flujo de agua. Cuando la generación de vapor alcanza el 50 % cesa la recirculación en forma automática. Fig. 23 (muestra el gasto total y el recirculado para distintas cargas del GV.). La Fig. 24 muestra esquemáticamente un esquema térmico desarrollado. El agua de alimentación ingresa al GV. a través de una válvula de alimentación FW. Desde el economizador el agua pasa por la bomba de recirculado vía el hogar, recorriendo en serie la pared central - exteriores y posteriores. Luego pasa por válvulas de estrangulamiento BTB - BT en dirección a 4 secciones de sobrecalentamiento con inyección de líquido intermedio para atemperar IS. Ingresa a la etapa de alta presión de la TV. HP. desde donde regresa al GV. para su recalentamiento en 2 etapas y vuelve a la TV. parte de presión intermedia IP y baja presión LP. Pasa al condensador y al condensado lo toma la bomba de condensado lo pasa por un tratamiento de agua de alimentación DA. (previo paso por precalentadores de agua de baja presión LP.). Desde el tanque de agua DA lo toma la bomba de agua de alimentación de caldera, pasa el flujo a través de precalentadores de media presión IP, lo toma la bomba de alimentación de alta presión y le atraviesa precalentadores de alta presión HP cerrando el ciclo. El recirculado se verifica desde la salida del flujo de las paredes de tubos, aguas arriba de las válvulas de estrangulación BTB hacia la aspiración de la bomba de recirculado ingresando a una cámara de mezcla esférica. El recirculado es habilitado por una válvula calibrada para la apertura a determinada presión. Cuando el gasto a través de las s. de intercambio del hogar es reducido, proporcionalmente será la caída de presión. Luego la presión en el by pass será suficiente para abrir el recirculado. Cuando aumenta el gasto de vapor generado, aumenta el gasto de agua a través del hogar y con ello la pérdida de carga; habrá un gasto para el cual la presión en el by pass es insuficiente para abrir la válvula, cesa el recirculado. En esta condición
la bomba de recirculado suma 100 % su acción a las de alimentación de baja y alta presión. Resultan 3 bombas plenamente en serie. El esquema muestra así mismo el conexionado para el arranque. Al arrancar el vapor generado se deriva por la válvula Be a una cámara de expansión. La fase líquida pasa al pozo caliente del condensador. Enfría los sobrecalentadores y deriva al condensador sin ingresar a la TV. por la válvula SD. De este modo debe observarse todas las superficies de intercambio son enfriadas por agua circulante sin que ingrese el vapor a la TV. Ello por cuanto éste al arrancar aún no tiene las características especificadas por la TV. Tampoco sería aceptable ventear el vapor a la salida del GV. debido al costo que tiene el agua tratada para este tipo de GV. Fig. 24
G ENERA DO R D E AGU A C A LI EN T E . [G AC.] Características operativas y constructivas. Los sistemas de agua caliente transportan energía térmica a un espacio acondicionado o un proceso mediante tuberías conectadas desde aquellos a una caldera o calentador de agua. En la zona acondicionada o de proceso se colocan los correspondientes intercambiadores de calor. Estos sistemas de calefacción que emplean el agua en fase líquida con frecuencia se les denomina sistemas hidrónicos. Los sistemas hidrónicos pueden clasificarse de acuerdo a diferentes criterios, los más frecuentes son: por el sistema de generar el flujo del vehículo de calor, y por el régimen térmico. Un flujo del agua puede llevarse a cabo por gravedad, el cual aprovecha la diferencia del peso específico entre la columna de suministro y la de retorno. El sistema de recirculación forzado constituye el segundo artificio de esta clasificación. Para ello se emplea una bomba. La clasificación conforme al régimen térmico comprende: 1) Sistema de agua caliente de Baja Temperatura LTW. Son aquellos que operan dentro de los límites de presión y temperatura impuestos por el Código ASME para la construcción de generadores de vapor de baja presión. Les corresponde como máxima presión admisible 1102 kPa con limitación de temperatura de 121 ºC. No obstante ello la técnica usual limita las operaciones a presiones del orden de 200 kPa, no obstante que los generadores de vapor admiten presión mayor. 2) Sistema de agua caliente de Media Temperatura .MTW. El régimen térmico máximo, en este 0 escalón es de 176,7 C con presiones de hasta 1034 kPa. Los valores de temperatura usuales 0 0 están dentro del rengo 121 C 163 C y presión usual de 1034 kPa. 3) Sistema de agua caliente de Alta Temperatura .HTW. El régimen térmico es por sobre 176,7 ºC y con presiones usuales de 2068 kPa. Este último es valor límite. Las temperaturas dentro del rango 205 ± 232 ºC.
Los sistemas LTW. son adoptados ampliamente para la calefacción de residencias e instituciones comerciales donde las cargas térmicas consistentes principalmente para calefacción y uso de agua caliente doméstico, oscilan dentro del rengo de 1,5 a 3 Mw. Los sistemas MTW. empleados en calefacción de grandes instalaciones comerciales e institucionales, como así también para procesos industriales, la carga térmica es del orden de 1,5 a 6 Mw. Los sistemas HTW. se limitan por lo general a calefacción de distritos, y a la industria de proceso cuyas cargas térmicas son del orden de 3 a 6 Mw. En el presente apunte se tratarán solamente los sistemas LTW por ser los mas utilizados en la actualidad. Ventajas de los sistemas hidrónicos. Los sistemas hidrónicos frente a la calefacción directa con vapor, tienen como ventaja: 1) una respuesta rápida y uniforme a los cambios de la carga térmica. 2) posibilita el tendido de las líneas de suministro y retorno en forma ascendente, descendente, con cualquier inclinación a fin de adecuarse a la geometría del edificio, sin que sea necesario tomar previsiones de ninguna naturaleza. 3) la gran masa de agua proporciona un excelente volante térmico, evitando el desbalanceo y uniformando el régimen de trabajo de los quemadores en la caldera. 4) el tratamiento del agua es sencillo y la necesidad de reposición es muy reducida, excepcionalmente alcanza al l % de la masa total de líquido, por día. 5) no tienen lugar las pérdidas de energía por vapor flash. 6) la regulación de la cesión térmica en los intercambiadores puede llevarse a cabo en forma muy ajustada. 2.7.3 Generalidades del Diseño. El diseño para lograr un sistema hidrónico eficiente y económico, debe responder a una compleja relación de sus componentes. La temperatura de suministro del agua, el gasto de agua caliente, diseño de la tubería, selección del sistema de bombeo, características de los intercambiadores de calor y métodos de control. Todos ellos interrelacionados. El tamaño y complejidad del sistema acentúa la importancia de estas relaciones y su incidencia en el éxito de su operatividad. Transferencia térmica. El calar sensible intercambiado en un dispositivo es función de la superficie de intercambio, la diferencia media de temperatura entre el vehículo de calar y el medio, y el coeficiente total de transferencia térmica. La cantidad de calor transferida desde el agua al medio, depende del gasto de agua, su calor especifico y la diferencia entre las temperaturas de entrada y salida al intercambiador. Esta cesión térmica deberá ser igual a la energía recibida por el medio a través de ese intercambiador. Qw = G .c . At (2) De acuerdo a lo expresado, Q = Qw en un determinado intercambiador. Las pérdidas de carga entre dos puntos del circuito cuando varía el gasto, serán proporcionales al cuadrado de los gastos correspondientes. 2
Ap2 / Ap1 = (G2 / G1) (3)
Se deberá tener en cuenta que al variar el gasto de agua a través de un intercambiador de calor, la cesión térmica a través de éste no varia generalmente en forma lineal. La Fig. 1 Q = U . A. Atm (1) UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 2/19 Generador de agua caliente.
muestra que para una variación de 11,1 ºC entre las temperaturas de entrada y salida del agua al intercambiador (TD), al variar el gasto en un 50 % la cesión térmica al medio sólo se ha reducido en un 10 %. Ello es debido a que el valor de la diferencia media de temperatura aguamedio, tiene como consecuencia de la disminución del gasto, una pequeña variación. Para reducir la cesión térmica al medio a un 50% del valor original, será necesario disminuir el gasto un 90 %. Cuando la diferencia de temperatura TD sea mayor, por ejemplo 33,3 ºC, la curva de regulación de cesión térmica, se torna más lineal respecto de la variación del gasto. Ver Fig. 1. De lo expuesto surge que cuanto mayor sea el TD. tanto más sencillo será la regulación del intercambio. Este aspecto de falta de liberalidad entre el gasto y la cesión térmica, deberá tenerse en cuenta en la selección de la válvula reguladora. Si la temperatura del medio a calefaccionar y su gasto se mantienen constantes, la cesión térmica varia en forma lineal respecto de la temperatura media del gasto de agua. Fig. 2. UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 3/19 Generador de agua caliente.
La principal consideración económica en todo sistema hidrónico es el balance de los costos de capital y los operativos. Los costos de capital consideren al generador de agua caliente, los intercambiadores de calor y el sistema de distribución. Los dos primeros costos quedan relacionados con la naturaleza de la carga térmica y el rango de temperatura seleccionado. El correspondiente al sistema de distribución por el gasto de agua resultante. Cuanto mayor sea el TD. tanto más económico el sistema de distribución. Para un determinado sistema, los costos de capital y operativos disminuyen cuando lo hace el gasto de agua circulante. Ello consecuencia de una tubería de menor sección, menor tamaño de bomba. El costo operativo se reduce cuando lo hace la demanda de potencia eléctrica de la bomba. Mucho depende del recurso adoptado para disminuir el gasto de agua circulante. 2.7.4 Intercambiadores de calor. Las fuentes de calor para los distintos sistemas hidráulicos pueden ser: un generador de vapor, un intercambiador de calor o convertidor, un calefactor de contacto directo. Los intercambiadores de calor responden en general a tres tipos: 1) Vapor-líquido 2) líquido-líquido 3) líquido-vapor Los intercambiadores de vapor-líquido, son unidades por lo general tipo casco y tubo. El vapor es admitido en el casco y el líquido se calienta al recorrer el haz tubular. Estas UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 4/19 Generador de agua caliente.
unidades encuentren aplicación en sistemas alimentados por vapor para la calefacción. Para aquel sector que se desee calefaccionar con líquido, agua caliente, se recurre a este artificio, o al sistema en cascada. Los intercambiadores líquido-líquido, por lo general también son de diseño casco y tubo. Se les emplea para obtener agua caliente para servicio doméstico, de menor nivel térmico, en sistemas LTW trabaja como un ³transformador´ térmico, reductor de nivel térmico. Los intercambiadores líquido-vapor consisten en un recipiente a presión que dispone en su parte inferior de un serpentín tipo U. Por dentro del serpentín circula el agua caliente. En el exterior el líquido vaporiza. El recipiente debe disponer de una cámara de vapor a fin de proveer espacio a éste. Se les emplea en sistemas de HTW. Cuando se desea vapor de menor nivel térmico para determinados fines como esterilización. La construcción de este recipiente debe respetar las normas correspondientes de Generadores de Vapor y Recipientes a Presión. Los calefactores de contacto directo o Cascadas, permiten obtener agua caliente al poner en contacto directo a ésta con una corriente de vapor en contracorriente. Para ello el líquido ingresa por la parte superior de un recipiente cilíndrico vertical, Fig. 3, y es finamente dividido mediante toberas de baja presión o platos. El colchón de vapor remanente en la parte superior del recipiente sirve para presurizar el sistema. En la parte inferior del recipiente, donde cae el líquido sirve de colector y de cámara de expansión. Proporcionando suficiente área de contacto, la temperatura del líquido puede ser aproximadamente igual a la del vapor. El agua así obtenida queda contaminada con gases de combustión, y se acidula por la presencia de CO . La 2 reducción del pH produce corrosión en el sistema e inhabilita al agua para el consumo humano. 2.7.5 Selección de la Bomba. Las curvas características de las bombas grafican en ordenadas Altura H Potencia demandada en el eje-Rendimiento de la bomba versus Gasto. Fig. 4. UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 5/19 Generador de agua caliente.
La pérdida de carga de un sistema será igual a la suma de las pérdidas correspondientes a todos sus integrantes colocados en serie dentro del mismo. Definida la pérdida de carga del sistema para un determinado gasto, cuando éste varíe, las pérdidas de carga del sistema habrán de variar de acuerdo a lo establecido por la ecuación (3). Si en un par de ejes Altura H - Gasto, se representan los distintos valores que resulta el primero al variar el segundo, uniendo dichos puntos se tendrá una curva que se llama Curva del Sistema. Si esta curva se lleva a la característica de la bomba Altura ± H ± Gasto. La intersección de ambas dará un punto llamado Punto de Operación del Sistema, cuando aquel trabaje con esta bomba. Fig. 5. F ig. 5 H Caudal Curva del sistema Curva de la bomba P unto de operación UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 6/19 Generador de agua caliente.
El Punto de Operación proporciona una muy valiosa información, ya que define el gasto que proporcionará la bomba instalada en ese circuito. Asimismo, la potencia demandada y el rendimiento con que operará la bomba. Si el gasto definido no resultase suficiente se deberá insistir con otra bomba. Como se desprende de lo expuesto, será menester un cálculo ajustado de las pérdidas de carga del sistema, para que el gasto real de operación responda a lo diseñado. Subvaluar las pérdidas de carga tendrá por consecuencia un menor gasto. Será necesario previo cálculo de las pérdidas de carga, definir completamente la instalación, incluso el sistema de regulación térmico y de la instalación. Las pérdidas de carga a través de un intercambiador de calor y su sistema de control de cesión térmica, serán diferentes si éste regula por estrangulamiento del gasto, o por derivación (válvula de tres vías). Cuando opera con derivación del gasto la pérdida de carga a través del conjunto intercambiador-regulador será menor. El Punto de Operación se habrá de trasladar a la derecha. La curva característica Pérdida de carga - Gasto, deberá convenientemente ser de poca pendiente. El Punto de Operación elegido ligeramente a la izquierda de la condición de máximo rendimiento de la bomba. De esta manera un ligero corrimiento hacia la zona de mayores gastos no tendrá consecuencias indeseadas tales como insuficiente energía específica o altura como para suministrar el caudal requerido. Las bombas con curvas poco empinadas tienen como inconveniente que cualquier diferencia en el valor de la pérdida de carga, el gasto varía en forma significativa. La Fig. 6 muestra un típico esquema de regulación mediante válvula de 3 vías. La válvula ª puede disponer todo el gasto a través del intercambiador o por el by pass. Asimismo puede disponerlo por cada rama. parcialmente. Una disposición de este tipo cuando dispone de un accesorio de balance de pérdida de carga, para cualquier posición que tome la válvula de 3 vías la pérdida de carga es invariable prácticamente. Luego es un sistema balanceado. Si la regulación se lleva a cabo mediante una simple válvula de estrangulación, no será balanceada la pérdida de carga. Por razones de seguridad operativa y cuando se requiere regular el gasto de agua caliente, se recurre al sistema de bombeo con unidades en paralelo. Al operar en paralelo ambas bombas suministran la misma altura y comparten el gasto. En general se adoptan bombas de iguales características. El comportamiento del conjunto esta representado en Fig. 7. La característica Altura-Gasto del conjuntó resulta resuelta de la siguiente manera. Para una misma altura se Intercambiador de calorVálvula de balanceVálvula de 3 vías Retorno S uministro Fig. 6 UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 7/19 Generador de agua caliente.
suman los gastos. Para la determinación del Punto de Operación se traza sobre este gráfico la Curva del Sistema. La intersección de ésta con la curva suma dará el punto buscado. De la observación Fig. 7 resulta que la operación de una sola bomba no proporcionará el 50 % del gasto del conjunto por cuanto la Curva del Sistema corta la de la bomba única sensiblemente más a la derecha respecto del gasto suministrado por ésta operando en paralelo. Esto lleva a las siguientes consideraciónes: 1) la potencia de accionamiento de las bombas deberán prever la operación en forma individual, por cuanto en esta condición la potencia será mayor. 2) La operación de la bomba en forma individual habrá de proporcionar aproximadamente el 80 % respecto del conjunto en paralelo. Cuando las pérdidas de carga son elevadas, suele recurrirse a la operación de bombas en serie Fig 8. En esta operación el gasto a través de ambas será el mismo, y la altura proporcionada por cada una será la misma. Trazada la Curva del Sistema sobre la característica de las bombas proporcionará el Punto de Operación para la marcha de una y ambas bombas. Nótese que la operación de una bomba entrega aproximadamente el 80 % del total, claro está siempre y cuando la pérdida de carga o altura requerida le permita en esa oportunidad el funcionamiento en forma individual. La operación en serie es típica para instalaciones en las que las características del circuito varían sensiblemente y en forma estacional (verano-invierno por ejemplo). Al variar el conjunto de instalaciones en operación varía la altura o pérdida de carga demandada. F ig. 7 UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 8/19 Generador de agua caliente.
Las disposiciones en serie o paralelo requieren una precisa determinación del Punto de Operación, caso contrario la selección de las bombas estará alejada de las condiciones razonables de operación. El agregado de resistencias variables en nada mejorará la pérdida de la condición de rendimiento ideal. 2.7.6 Sistema de Presurización. El objetivo de este sistema comprende: 1) Limitar la presión de operación de todo el equipamiento del sistema a su correspondiente presión de trabajo. 2) Asegurar una mínima presión para cualquier condición operativa, para el venteo de aire y evitar la cavitación en la aspiración de la bomba y ebullición del agua. 3) Cumplimentar estos objetivos can un mínimo de adición de agua de reposición. El tanque de expansión es el dispositivo primario para el control de la presión del sistema. El exceso del volumen de agua resultante del incremento de la temperatura, se acumula en el tanque en los períodos de máxima temperatura de operación. y retorna al sistema cuando ésta se reduce. El tanque de expansión debe diseñarse para que sea capaz de acumular la variación de volumen de agua en las condiciones citadas, sin que la presión sobre el sistema exceda la de diseño, a la par de asegurar la mínima para las condiciones en frío u off. En algunos diseños el agua de reposición se regula en forma automática o en forma manual. Se debe incorporar una válvula de seguridad o alivio de acuerdo a lo especificado por Fig. 8 UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 9/19 Generador de agua caliente.
ASME. Su función, limitar la máxima presión de operación de la caldera. Por tratarse de un dispositivo de seguridad la válvula de seguridad o alivio, no debe ser considerada como elemento para control de la presión de operación. La selección del elemento destinado a mantener la presión del sistema por sobre el valor de saturación, debe tener en cuenta los siguientes factores: a) El sistema de presurización debe ser simple y confiable, La pérdida de presión en el sistema producirá vapor flash que generará inconvenientes en las bombas, en el generador térmico, en los intercambiadores de calor y en el sistema de regulación térmica de éstos. b) El sistema de presurización debe mantener las características no corrosivas del agua caliente. El oxígeno debe ser eliminado del sistema ya sea operando el sistema como en off. Esta condición hace que el aire en contacto directo con el agua del circuito no sea conveniente. Asimismo el diseño del sistema eliminará la necesidad de incorporar con frecuencia cantidades de agua significativas. c) El sistema de presurización deberá mantener sobre el circuito de agua una presión estable. Las fluctuaciones de presión en el circuito deberán ser mínimas para acrecentar la ventaja como volante térmico. Diferentes sistemas se emplean capaces de cumplimentar los requisitos citados: 1) Empleando un tanque de acumulación elevado sobre el circuito de agua caliente. 2) Empleando una bomba hidráulica. Sin embargo atento a que existen relativamente grandes variaciones de presión, con escaso de volumen, hacen de este artificio algo impráctico. 3) Empleando un tanque de expansión diseñado con capacidad para la variación volumétrica del líquido y manteniendo aún una amplia cámara para un gas a presión dentro de los valores requeridos por el sistema. Si se emplea el aire para este fin, debe asegurarse la hermeticidad, es decir que no sea necesario la reposición de éste frecuentemente. Ello proporciona oxígeno que produce luego corrosión. La cantidad inicial de aire en el tanque corresponderá para satisfacer la presión para la condición en frío: La expansión volumétrica del agua al elevarse la temperatura comprimirá el aire proporcionando la presión requerida máxima del sistema. 4) Empleando un tanque de expansión con diafragma con precarga de aire como elemento presurizante. El diafragma deberá permitir la expansión volumétrica del aire. La carga de aire y el agua caliente están permanentemente separados por el diafragma eliminando la posibilidad de entrega de oxígeno desde el aire al agua. 5) Empleando vapor o gases inertes en la cámara de un tanque de expansión. La presurización con tanques de expansión puede ser de características abiertas o cerradas. La Fig. 11 representa un sistema abierto. Tiene venteo de vahos a la atmósfera. Esta disposición se limita a sistemas cuya temperatura máxima de operación es del orden de los 82 ºC. Esta limitación involucra a presiones máximas, la atmosférica y estáticas del circuito. El tanque se deberá colocar por lo menos a 1 metro por sobre el punto más elevado del circuito. Conectado a la aspiración de la bomba a efecto de evitar condiciones de vacío creadas por la aspiración de ésta. El sistema dispone en forma interna de un rebalse. De acuerdo a las disposiciones de ASME debe asegurarse que no podrá congelar el agua dentro UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 10/19 Generador de agua caliente.
del tanque, en la tubería de conexión al circuito, ni en el rebalse. El volumen mínimo del tanque será del 6 % del volumen total de agua del circuito. Téngase en cuenta que en forma permanente el contacto del aire sobre el agua proporcionará oxígeno a ésta. Bajo este punto de vista el sistema es menos favorable que el cerrado. El sistema de tanque de expansión cerrado, Fig. 12 y l3 emplea aire que se encuentra en condiciones de hermeticidad, aún para amplias variaciones de presión del sistema. La variación volumétrica del agua proporcionará la presión requerida. Si el volumen de cámara de gas es insuficiente, el exceso de presión será evacuado a través de la válvula de alivio que dejará escapar agua caliente del sistema. Cuando el sistema disminuya su temperatura, la presión descenderá por sobre el valor preestablecido y para mantenerla, será menester reponer agua de un sistema a presión. UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 11/19 Generador de agua caliente.
Cuando los circuitos son pequeños y tienen por lo tanto un reducido volumen total de agua, así como las bombas requerirán de menores presiones para cumplimentar las pérdidas de carga, los tanques de expansión no son de diseño crítico. No ocurre lo mismo cuando el circuito es grande. En éstos su diseño cobra gran importancia. 2.7.7 Posición de la bomba en el circuito. La posición de la bomba en relación al tanque de expansión es determinante para definir si la presión de ésta se suma a la estática del circuito o se resta. El punto de unión del tanque de expansión al circuito, debe considerarse como Punto de Presión Invariable. Opere la bomba o no. UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 12/19 Generador de agua caliente.
Las Fig. 14. y 15 en el diagrama A, la bomba aspira desde la caldera y conexión de ésta con el tanque de expansión. La máxima presión del circuito aparecerá inmediatamente delante de la bomba. Las presiones de los puntos aguas abajo tendrá un valor que es igual a la de suministro de la bomba reducida en las pérdidas de carga del circuito hasta dicho punto. En este diseño, la presión que ejerza el tanque de expansión, debe ser ligeramente mayor que la estática del sistema. Véase el perfil de presiones del circuito en Fig. l5. Cuando la bomba descarga sobre el generador de agua caliente y conexión del tanque de expansión, diagrama B. Como el punto de descarga de presión invariable, el salto de presión que proporcionará la bomba se manifestará como depresión aguas abajo. Luego, junto a la brida de aspiración de ésta se tendrá la presión mínima del circuito. Si la presión de llenado es menor que la que genera la bomba (depresión en este caso), se generara vacío. Esta disposición es poco empleada, salvo en sistemas de pequeña magnitud donde las pérdidas de carga son mínimas. En edificios de varias plantas, con la caldera en el sótano, el tanque de expansión se coloca en el ático. Los puntos del circuito ubicados entre la descarga de la bomba y el punto de conexión del tanque de expansión tendrán una sobrepresión respecto la de llenado del tanque de expansión. El resto del circuito tendrá presiones menores. La presión de llenado del tanque solamente requiere un ligero aumento por sobre la estática del circuito. Para el dimensionamiento del tanque de expansión se deberá tener en cuenta: 1) El volumen total de agua del sistema. 2) La variación máxima de temperaturas del agua del circuito. 3) la presión del aire en el tanque de expansión cuando el agua está fría. 4) la presión generada por la bomba para salvar las pérdidas de carga. 5) la posición de la bomba respecto del punto de conexión del tanque de expansión. 6) la caldera. Para temperaturas de operación comprendidas entre 71 y 138 ºC ASME proporciona la siguiente fórmula: Vt = (0.000738 t - 0,03348) Vs / [( Pa / Pf) - ( Pa / Po)] donde: UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 13/19 Generador de agua caliente.
3
Vt; volumen mínimo del tanque de expansión (m ) 3
Vs; volumen del circuito (m ) t ; máxima temperatura promedio de operación ºC) Pa; presión reinante en el tanque de expansión antes de llenarlo con agua (kPa absoluto). Pf; presión mínima del tanque lleno (igual a la suma de la presión estática que el circuito ejerce respecto del tanque + una determinada sobrepresión para asegurar el venteo, por ejemplo 20 % del primer término) (kPa absoluto). Po; máxima presión de operación del tanque de expansión. Dado por la presión de apertura de la válvula de alivio disminuida en un 10 % 34 kPa, lo que sea mayor. (ASME) (kPa absoluto) Cuando la temperatura de operación es menor a 71 ºC, es ampliamente usada la siguiente expresión: Vt = E / [( Pa / Pf) - ( Pa/Po)] donde: 3
E; variación volumétrica del agua entre la mayor y menor temperatura de operación.
(m ). 2.7.8 Disposición de componentes para sistemas LTW. En estos sistemas pueden emplearse todos los tipos de intercambiadores de calor. Previa adopción de un tipo será menester consultar con el fabricante en cuanto a lo relacionado con las pérdidas de carga y cesión térmica específica para las condiciones operativas previstas. Por definición la máxima temperatura de operación en este tipo de sistema LTW. es de 121 ºC. En consecuencia el generador de agua caliente 116 ºC. Para evitar el ciclaje frecuente entre las condiciones de máxima y mínima demanda, el límite de temperatura inferior será de aproximadamente 110 ºC. En principio el valor de TD. se puede establecer en 11 ºC. para cada unidad intercambiadora de calor. 2.7.8.1 Disposición de tuberías. Las características del edificio o de las instalaciones a proveer calefacción, determinan la traza de las tuberías. El diseño resultará de una solución de compromiso relacionando la demanda térmica, el sistema de control, instalaciones requeridas y costos operativos. Para satisfacer estos requerimientos en cuanto a la característica del trazado de la tubería, ésta puede ser llevada a cabo como sigue: 1) Bucle con intercambiadores en serie. Fig. 16. 2) Un tubo. Fig. 17. 3) Dos tubos con retorno inverso. Fig. 18. 4) Dos tubos con retorno directo. Fig. 19. UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 14/19 Generador de agua caliente.
Cada uno de los diseños citados tiene sus ventajas y desventajas para las características particulares de algún sector del circuito. Por ello es posible que en una misma instalación, partes de ella se resuelvan con distintas disposiciones. 1) Disposición de intercambiadores en serie (en bucle). Constituida por un tendido único de tubería hasta formar un bucle, la Fig. 16 muestra dos bucles conectados a una línea de suministro y de retorno. Los bucles pueden ir conectados directamente a un distribuidor y colector del generador de agua caliente, la temperatura del agua cae progresivamente a medida que atraviesa distintos intercambiadores. Dos intercambiadores en serie con igual TD y superficie de intercambio, tendrá distinta cesión térmica. Ello por cuanto en el segundo la diferencia media de temperatura será menor. Si se desea igualar la cesión térmica, se deberá incrementar el área de intercambio. La disminución del gasto de agua caliente, aumentará el TD, disminuirá la cesión térmica. Cuando dos intercambiadores conectados en serie deban regular la cesión térmica al medio de forma diferente, será necesario actuar sobre el medio a calefaccionar con deflectores, regulación del ventilador. En áreas habitadas, la instalación en serie puede eliminar la necesidad de excavar trincheras, y colocar la línea a nivel de piso. Cuando se trata de calefacción a edificios existentes, la instalación mediante esta técnica a menudo es la única solución. Cuando el montaje en serie es un subcircuito de otro mayor de dos tubos de retorno directo, por ejemplo, se deberán instalar válvulas para lograr el balance del sistema. 2) Disposición de un tubo.
UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 15/19 Generador de agua caliente.
Esta muestra un simple bucle. Se podrán instalar en paralelo los bucles que sean necesarios. Para cada intercambiador de calor en el suministro y retorno se colocará una Tee. Una de ellas cumple una función especial la de crear la diferencia de presión necesaria sobre la línea de suministro a fin de asegurar el gasto de agua caliente a través del intercambiador. La Tee colocada aguas arriba, o sea en el ingreso del intercambiador es la de diseño especial, cuando el intercambiador se encuentra por sobre la línea de suministro. Cuando esté por debajo, en ambas conexiones deberán colocarse Tee de carácter especial. Este último requerimiento es a efecto de compensar el efecto térmico. Para cada tipo de intercambiador y pérdida de carga, se deberá colocar una Tee adecuada, lo cual hace indispensable recurrir a información del fabricante. El sistema permite la regulación de la cesión térmica en forma individual, ya sea automática o manual. Por lo general se emplea sistema on-off para tal fin. El modulante tiene dificultades debido a la escasa diferencia de presiones que generan la desviación del flujo hacia el intercambiador. El costo de este sistema es mayor que la conexión en serie. La longitud de cada bucle debe ser razonablemente reducida por el mismo motivo del escaso efecto de presión diferencial. Atento a la característica operativa, la pérdida de carga total de cada bucle es poco variable. Ello es un factor interesante en grandes instalaciones en las que no se desea amplias variaciones de este factor. Cuando la instalación disponga de numerosos bucles en paralelo, cada uno de ellos deberá contar con válvulas de balance. 3) - 4) Disposición de doble tubo.
UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 16/19 Generador de agua caliente.
En la disposición de retorno inverso el flujo de retorno tiene sentido inverso que el de suministro. El recorrido de retorno del agua desde cada intercambiador, resulta de esta manera mínimo. Mientras que el sistema de dos tubos de retorno directo, es más popular por cuanto requiere menor longitud de tuberías. No obstante este sistema requiere de válvulas de balance para cada uno de los intercambiadores. En la disposición de retorno inverso no se requiere por lo general de previsión para balance. Ello por cuanto la longitud de tubería desde la caldera y hasta la caldera es virtualmente la misma para todos los intercambiadores. Algo de balance será requerido cuando las características de los intercambiadores sea muy distinta y su pérdida de carga interna importante respecto a la que le provocan las líneas de suministro y retorno. El sistema de retorno directo requiere un mayor costo de bombeo debido a las pérdidas de carga del sistema de balance. UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 17/19 Generador de agua caliente.
2.7.9 Disposición de la sala de caldera, componentes. Las Fig. 20 y 21 muestran disposiciones típicas. Relacionado con la posición de la bomba respecto de la caldera ya se ha hecho referencia. Al respecto cabe señalar que la instalación de ésta previa a la caldera, sólo es admisible para pequeños sistemas cuyas pérdidas de carga no superan el equivalente a 4 m. Cuando el sistema es servido por más de una caldera, éstas pueden conectarse de diferentes maneras: a) El conjunto de las calderas puede ser conectado y controlado como si operara una sola caldera. Todas con igual aporte. La suma de sus efectos deberá satisfacer la demanda del sistema exterior. b) Se pueden ir conectando al sistema calderas en forma adicional de acuerdo al incremento de la demanda. Estando fuera de operación, se aíslan del circuito mediante válvulas. El sistema de regulación de la combustión fuera de servicio. Es decir estas calderas están de reserva para casos de emergencia. Las restantes sirven la demanda. La Fig. 22 muestra un UTN FRSF- TECNOLOGIA DEL CALOR pag. 18/19 Generador de agua caliente.
